ВОДОСБРОСЫ ГИДРОУЗЛОВ С АРОЧНЫМИ И АРОЧНО-ГРАВИТАЦИОННЫМИ ПЛОТИНАМИ
Различают несколько основных конструктивных схем таких водосбросов: с поверхностным переливом через гребень плотины с последующим транзитом водных масс и гашением их энергии по одной из схем: с движением по сливной поверхности и гашением по схеме донного гидравлического прыжка в колодце или на водобое с гасителями; со свободным гравитационным падением и гашением в толще воды нижнего бьефа; с отбросом струи после открытого перелива и движения по сливной поверхности; с выпуском максимальных расходов через глубинные отверстия с последующим их отлетом (с носка-трамплина или в форме свободного падения) и гашением в водяной подушке нижнего бьефа; по типу открытого (быстроток) или закрытого (туннель) берегового водосброса; комбинированные, сочетающие две или три перечисленные выше.
Если водосброс конструктивно совмещен с телом арочной или арочно-гравитационной плотины, то избыточную энергию пропускаемого через него расхода воды чаще всего гасят в пределах заранее подготовленного крепления нижнего бьефа. Существует достаточно большое многообразие схем устройства таких водосбросов. Следуя приведенной выше классификации этих сооружений, рассмотрим несколько примеров из практики гидротехнического строительства в странах с жарким климатом.
В компоновках гидроузлов с арочно-гравитационными плотинами (с отношением толщины по подошве к высоте плотины - 0,35...0,65) максимальные расчетные расходы чаще всего сбрасывают переливом через гребень по сливной низовой грани плотины в сужающийся в плане водобойный колодец (табл. 4.6). Радиальная концентрация струй требует устройства на сливной грани продольных раздельных стенок. Водобойные колодцы в этих условиях, как правило, подбирают с помощью лабораторных исследований.
Самая высокая арочно-гравитационная плотина с водосбросом рассматриваемого типа - плотина испанского гидроузла Салиме (139 м), имеющего совмещенную ГЭС.
4.6. Характеристика гидроузлов с поверхностными водосбросами, совмещенными с арочно-гравитационными плотинами и водобойными колодцами
Водосбросное сооружение гидроузла Сан Эстебан (Испания) (рис. 4.17) также оборудовано на оголовке шестью сегментными затворами размером 15x6,2 м. Основная часть его водобойного колодца выполнена постоянной ширины (55 м). За колодцем предусмотрен участок сужения, что позволило избежать значительных скальных выемок в условиях узкого каньонообразного створа гидроузла. Плановое расположение колодца - несколько асимметричное по отношению к водосливной части; из-за этого он оборудован криволинейными в плане заанкеренными в основание направляющими ребрами, улучшающими гидравлические условия его работы.
У японского гидроузла Фютасе два поверхностных и два глубинных водосброса. Поверхностные, имеющие в концевых частях носки-трамплины, и глубинные пропускают соответственно 1500 и 800м3/с. Избыточная энергия потока гасится в общем колодце весьма сложной конструкции. Его отличительные особенности - ступенчатый гаситель, расположенный на расстоянии половины длины колодца от плотины, а также концевая водобойная стенка высотой 10,25 м. Оба поверхностных водосброса проходят по крыше гидроэлектростанции мощностью 5,2 МВт.
4.7. Характеристик гидроузлов с арочными и арочно-гравитационными плотинами и водосбросами, обеспечивающими перелив потока через гребень и овободное падение его в нижний бьеф
Рассмотренные примеры показали, что компоновки гидроузлов с арочно-гравитационными плотинами обычно позволяют совмещать водосбросы со зданием ГЭС даже в сравнительно узком створе. Колодцы этих водосбросов полностью гасят избыточную энергию потока, мощность которого не меньше, чем на водосбросах гравитационных плотин, а его удельные расходы - самые большие в мире [200... 300 м3/(с-м) и более].
Как в странах с жарким климатом, так и вообще в мировой практике на гидроузлах с арочными плотинами наиболее широко распространены водосбросы со свободным переливом сбросных расходов через соответствующим образом оформленный гребень плотины и последующим падением струй в нижний бьеф в непосредственной близи от ее подножия (табл. 4.7, см. рис. 4.5, а). При небольших удельных расходах водосбросы подобного типа, как правило, проектируют нерегулируемыми,-то есть без затворов и с отметкой гребня водосливного оголовка, равной отметке НПУ. Чтобы несколько отбросить струи от плотины, оголовок гребня иногда оборудуют носком-трамплином (рис. 4.18; см. рис. 3.5, а). Крепление русла в этих случаях предусматривается не всегда. При значительных удельных расходах в нижнем бьефе устраивают надежное крепление, а на гребне плотины устанавливают затворы.
Пример арочной плотины с нерегулируемым водосбросом на гребне - плотина японского гидроузла Куробе-4, имеющая поверхностный водослив длиной 125 м, рассчитанный на пропуск 750м3/с, и пять донных водоспусков.
Ирригационный гидроузел Понголопорт (рис. 4.19), возведенный в ЮАР на реке Понгола, также имеет нерегулируемый переливной водо-сброс в центральной части плотины, рассчитанный на пропуск 6800 м3/с. Струи воды свободно падают с гребня плотины в водобойный колодец с полукруглой в плане стенкой. Длина колодца 32 м.
Арочная плотина гидроузла Виктория (Шри-Ланка, см. рис. 4.18, г) имеет поверхностный водослив с достаточно большими удельными расходами [почти 80 м3/(с-м)), поэтому ее гребень с восемью отверстиями оборудован сегментными затворами 12,5x9,0 м. Каждый затвор имеет гидравлическое управление и противовес, уменьшающий его подъемное усилие. Водосливная часть устроена в центральной части плотины. Падающие струи гасятся в водобойном колодце длиной 110 м, заканчивающемся невысоким порогом. Оголовок водослива имеет в каждом пролете носок-трамплин и по два расщепителя с подводом воздуха.
Несмотря на то что большинство арочных плотин выполняют с центральным размещением водосливного оголовка, известен ряд случаев, в которых последний устраивали асимметрично, в одном из примыканий плотины. Примером этому может служить водосброс гидроузла Мансур Эдахби (Марокко), находящийся на правобережной части арки. Чаще всего такое размещение водосброса обуславливалось либо неудовлетворительными геологическими условиями основания плотины в месте падения струй, либо нежеланием по каким-либо причинам вырезать верхний пояс арки. В большинстве случаев по возможности следует стремиться к центральному расположению водосброса. Однако необходимо учитывать, что при этом совмещение водосброса с плотиной и ГЭС приводит к образованию большого числа брызг, которые затрудняют работу ГЭС и ее оборудования, а также могут быстро вывести из строя трансформаторы и ЛЭП.
Существует несколько гидроузлов с арочными или арочно-гравитационными плотинами, водосбросы которых имеют поверхностный перелив, транзитный участок сливной поверхности и гашение избыточной энергии потока, осуществляемое по схеме отброса струи с носка- трамплина. К ним относятся португальские плотины Пикотэ (арочная; Н = 100 м; L/H = 0,93; 0 = 10 400 м3/с; q= 173 м /с; имеется и туннельный водосброс, 0 = 600 м3/с; рис. 4.20) и Ванда Нова (арочно-гравитационная; Н = 97,0 м; L/H = 2,38; О = 1100м3/с; д = 70м2/с), а также испанская плотина Альдеадавила (арочно-гравитационная; Н = 139,5 м; L/H = 1,79; Q = 10 000 м3/с; q = 167 м2/с; имеется и туннельный водосброс, Q = 2800 м3/с).
Однако в компоновках с арочными (и арочно-гравитационными) плотинами такая схема отброса струи применяется реже, чем для гидроузлов с гравитационными плотинами. Это объясняется усложнением конструкций для обеспечения приемлемого отброса струи.
Раньше считалось, что в большинстве случаев поверхностные водосбросы в эксплуатации надежней глубинных и не требуют применения высоконапорных затворов, имеющих сложную конструкцию и подверженных кавитации. Однако накопленный опыт проектирования, строительства и эксплуатации большого числа гидроузлов с высокими и Рис. 4.20. Поперечный разрез водосбросной плотины Пикотэ (Португалия): сверхвысокими плотинами показал, что глубинные водосбросы имеют и целый ряд неоспоримых преимуществ, основные из которых следующие [61]: позволяют срабатывать водохранилище накануне паводка для срезки его пика, что особенно важно на многоводных реках с ливневым типом питания, доминирующих в регионах с жарким климатом; имеют обжатую конструкцию благодаря большим напорам и высо-ким скоростям течения, что дает определенные преимущества при их совмещении с тонкими арочными плотинами; дают возможность в большинстве случаев отказаться от устройства специальных водоспусков и водовыпусков, а также уменьшить число ярусов временных водосбросов строительного периода; отбрасывают струи непосредственно из глубинного отверстия без устройства носка-трамплина и сливной грани, имеющих значительную стоимость.
В связи с этим в 70-80-х годах построили гидроузлы, в которых основными водопропускными сооружениями были глубинные водосбросы (табл. 4.8).
Характерный пример использования арочной плотины с глубинными водосбросами - гидроузел комплексного назначения Кариба (Замбия- Зимбабве) на реке Замбези (рис. 4.21).
Состав его основных сооружений: арочная плотина двоякой кривизны в достаточно широком створе; подземная гидроэлектростанция мощностью 2100 МВт; шесть глубинных напорных водосбросов с конфузорным водоводом и плоскими затворами на выходе. Струи воды отбрасываются на 90 м от плотины. На участке у ее подножия предусмотрено короткое бетонное крепление. В период возведения гидроузла через его створ пропускали паводки расходом до 16 000 м3/с (против расчетного 8500 м3/с).
Основание в створе гидроузла Кариба сложено в основном гнейсами; в правом примыкании есть небольшой выход слоя трещиноватых кварцитов.
Гидроузел Кабора Басса (Мозамбик) располагается в узком и глубоком каньоне реки Замбези. Состав сооружений компоновки гидроузла: арочная плотина; глубинный водосброс из восьми отверстий, перекрываемых плоскими Катковыми затворами со стороны верхнего бьефа и сегментными - с нижнего; два здания подземных ГЭС с суммарной мощностью 4000 МВт. Пропуск максимальных расходов периода строительства (12 000 м3/с) предусматривалось проводить двумя туннелями 16x16 м, с суммарной пропускной способностью 4500 м3/с. В связи с этим допусками ежегодное двухмесячное затопление котлована в период дождей. Для этого разработали специальную конструкцию каменно-набросных перемычек, не разрушающихся во время поверхностного перелива через них строительных расходов. Они в течение четырех недель пропускали расходы до 7000 м3/с и сохранились в удовлетворительном состоянии.
Водосброс гидроузла Камбамбе на реке Кванза имеет семь отверстий и пропускает расчетный расход, равный 9500 м3/с. Отверстия перекрываются плоскими затворами размером 8x10 м (рис. 4.22). В нижнем бьефе предусмотрено устройство бетонного крепления с водобойной стенкой высотой 5 м. Дополнительный туннельный водосброс максимальных расходов строительного периода (500 м3/с) в эксплуатационный период позволяет пропустить 800 м3/с.
Итак, наиболее благоприятно эксплуатировать глубинные водосбросы арочных плотин можно в странах с жарким и умеренным мягким климатом.
Устройство водосброса (поверхностного или глубинного) может неблагоприятно отразиться на напряженном состоянии арочной плотины и усложнить ее конструкцию. В связи с этим прорабатывали компоновочные решения гидроузлов с арочными плотинами и береговыми открытыми или закрытыми водосбросами. Гидроузлы с открытыми береговыми водосбросами можно разделить на две подгруппы: с водосбросами, располагающимися на обоих берегах реки (табл. 4.9); с одним водосбросом (табл. 4.10).
Примером гидроузла с арочной плотиной и двумя береговыми водосбросами служит чилийский гидроузел Рейпл (рис. 4.23). У обоих водосбросов имеется достаточно длинная транзитная часть, завершающаяся носком-трамплином сложного очертания.
На испанском гидроузле Белесар оба водосброса конструктивно совмещены с гравитационными устоями арочной плотины. В состав компоновки, помимо этих сооружений, еще входит подземная гидроэлектростанция мощностью 240 МВт.
При разработке компоновок гидроузлов с двумя водосбросами их следует располагать симметрично относительно оси русла реки. Это позволяет относительно простыми и дешевыми средствами добиться благоприятных гидравлических условий работы нижнего бьефа, предупредить возникновение сбойных течений, свести к минимуму опасность размывов и возможных переформирований русла и берегов реки.
При составлении компоновок с одним береговым водосбросом его необходимо размещать так, чтобы направление движения сходящих с него струй воды совпадало с основным направлением течения реки. Как правило, такие водосбросы по конструкции представляют собой быстротоки, концевой участок которых имеет носок-трамплин двоякой кривизны.
Примерами гидроузлов с одним береговым водосбросом служат гидроузлы Карадж (Иран), Сунда (Заир), Каштэлу ду Бодэ (Португалия).
В число основных сооружений гидроузла Карадж входят: арочная плотина двоякой кривизны высотой 180 м при ширине по гребню 390 м, береговой водосброс по типу быстротока с большой длиной транзитной части, глубинный водовыпуск, приплотинная гидроэлектростанция мощностью 120 МВт (рис. 4.24).
Гидроузел Сунда возведен в чрезвычайно благоприятных условиях. Его створ расположен в узком каньоне с расходом реки 10ОО м3/с; борта каньона сложены прочными кварцитами и гнейсами. Состав основных сооружений гидроузла (рис. 4.25): арочная плотина с массивным упорным гравитационным блоком-седлом, полная высота плотины 125 м, высота только арочной части 98 м; приплотинная ГЭС мощностью 1300 МВт; левобережный водосброс, рассчитанный на пропуск расхода 3000 м3/с. Из-за узости створа башенные водоприемники ГЭС размещены на одном фундаментном цоколе с плотиной, гидроагрегаты - в шахматном порядке. Максимальные расходы строительного перио-да пропускали через два туннельных водосброса.
Гидроузел Каштэлу ду Бодэ (рис. 4.26) в число своих основных сооружений включает: арочно-гравитационную плотину высотой 115 м и длиной по гребню 402 м, в том числе 100-метровый правобережный
Примечание. Б - безнапорный водосброс с лобовым подводом воды; Ш, Г - шахтный и глубинный водосбросы. В состав компоновки гидроузла Наруго входит и открытый водосброс с поверхностным переливом через плотину гравитационный устой; приплотинную ГЭС мощностью 137 МВт; левобережный водосброс, рассчитанный на пропуск расхода 4000 м3/с, два правобережных донных водосброса на расход 150 м3/с. Строительные расходы пропускали временным туннельным водосбросом размером 12,2x9,5 м с расчетным расходом около 2000 м3/с.
В гидроузлах с арочными и арочно-гравитационными плотинами часто применяют и туннельные водосбросы (табл. 4.11). При этом получают ряд существенных преимуществ, основные из которых следующие: в достаточно стесненных створах облегчаются условия размещения и последующей эксплуатации гидроэлектростанции; улучшаются условия производства строительных работ, обеспечивается их широкий фронт; благодаря устранению прорезей и отверстий в плотине достигается наилучшее распределение напряжений в ее теле.
Однако туннельные водосбросы по своей стоимости могут быть существенно дороже открытых водосбросов. Поэтому при их выборе необходимо проводить технико-экономическое сравнение.
Выше уже приводились примеры, когда туннельные водосбросы использовали в составе компоновок гидроузлов с арочными плотинами в качестве временных водосбросов строительного периода. Известны случаи, когда в силу сложившихся обстоятельств эти же водосбросы оставляли в качестве постоянных или резервных эксплуатационных водосбросов, работающих в паре с другим постоянным водосбросом. В странах с мягким или жарким климатом эти водосбросы можно сразу возводить как постоянные.
Их подразделяют на три основных типа: безнапорные с поверхностным водоприемником, наклонной соединительной шахтой и горизонтальным отводящим туннелем; шахтные с напорной шахтой и чаще всего безнапорным отводящим туннелем; напорные и безнапорные с глубинным входным оголовком.
Примерами использования водосбросов первого типа служат гидроузлы Навагадо и Кабрил (рис. 4.27).
Иракский гидроузел Докан - пример строительства гидроузла с арочной плотиной и двумя водосбросами - шахтным и туннельным (рис. 4.28). Его основное назначение - подача воды на орошение. Для этой цели он имеет два туннельных водовыпуска, оборудованных конусными затворами диаметром 2,25 м. Пропускная способность этих водовыпусков 350 м3/с при напоре 100 см.
Гидроузел имеет и приплотинную гидроэлектростанцию мощностью 200 МВт. Особенность его компоновки - удаленное расположение эксплуатационных водосбросов - шахтного и безнапорного туннельного.
Примером гидроузла, имеющего только третий тип водосброса- туннельный, служит японский гидроузел Наруго (рис. 4.29). Он имеет комплексное назначение (энергетика, мелиорация, регулирование паводков). В состав гидроузла входят: арочная плотина, на гребне которой имеется поверхностный водослив с небольшим носком, направляющим струи на крепление дна со специальным растекателем; 160 гидроэлектростанция; левобережный туннельный водосброс. Входной порог этого водосброса заглублен под уровень на 19...21 м. Начальный участок работает в напорном режиме и постепенно сужается до участка резкого сужения - дефлектора (см. рис. 4.29). За дефлектором подводится воздух из атмосферы и поток воды движется далее на всем протяжении туннеля безнапорно. Общая пропускная способность обоих водосбросов 2000 м3/с.
На основе опыта проектирования, строительства и эксплуатации гидроузлов с арочными плотинами и туннельными водосбросами в странах с жарким климатом сделаны следующие выводы: туннельные водосбросы работают в основном в безнапорном режиме; их головные части выполняют либо с лобовым подводом потока, либо по типу шахтного водосброса; туннели с глубинным водозабором в рассматриваемых условиях практически не встречались; сбросные расходы через один туннельный водосброс достигают при безнапорном потоке в нем 4000 м3/с, а в шахтных - 3000 м3/с; диаметры туннелей не превышают 14 м;
При относительно малых диапазонах колебаний уровня верхнего бьефа водовыпуск гидроузла с грунтовой плотиной может представлять собой обычный открытый регулятор (рис. 4.30, а). Такие водовыпуски неоднократно строили на гидроузлах Мексики, Кубы, Индии.
