Общие сведения о подземных водосбросах

В состав высоконапорных энергетических гидроузлов входят, как правило, водопропускные сооружения, которые по своему назначению подразделяются на водосбросы, водовыпуски и водоспуски. Учитывая, что водовыпуски и водоспуски по гидравлическому режиму работы и ряду других признаков сходны с водосбросами, в дальнейшем, где это не будет специально оговорено, под термином подземный (туннельный) водосброс следует понимать также подземный (туннельный) водовыпуск и водоспуск.

Подземные водосбросы входят в основном в состав гидроузлов с плотинами из грунтовых материалов, а также с арочными и арочногравитационными плотинами. Во вновь строящихся гидроузлах с гравитационными плотинами подземные водосбросы в настоящее время применяются редко. Примерами туннельных водосбросов, построенных при гравитационных плотинах, могут служить гидроузлы Боулдер и Фонтана (США), Сарран и Жениссиа (Франция).

Подземные водосбросы широко применяют при возведении гидроузлов в стесненных створах, борта ущелий которых сложены скальными грунтами. Их применение дает возможность получить при строительстве широкий фронт земляных работ благодаря пропуску строительных расходов по туннелям, а также снизить стоимость строительства в тех случаях, когда строительство открытого водосброса сопряжено с большими объемами работ.

Часто подземные водопропускные сооружения проектируются комбинированного или совмещенного типа, например, для сброса излишних паводковых вод из водохранилища и обеспечения необходимых попусков в нижний бьеф, для сброса воды из водохранилища во время паводка и подвода воды к зданию гидроэлектростанции (Камбаратинская ГЭС). Эти водопропускные сооружения являются постоянными и называются эксплуатационными.

Помимо эксплуатационных водопропускных сооружений при возведении высоконапорных гидроузлов возникает необходимость в устройстве временных подземных водопропускных сооружений - строительных водосбросов или строительных туннелей, служащих для пропуска расходов воды в период строительства. Временные водосбросы стремятся совместить после окончания строительства с тем или иным постоянным водопропускным сооружением. Примерами могут служить строительный подземный водосброс первого яруса и эксплуатационный шахтный водосброс Чарвакской ГЭС, строительный подземный водосброс третьего яруса и эксплуатационный водосброс с поверхностным водозабором Нурекской ГЭС, строительный подземный водосброс и подводящий туннель Байпазинской ГЭС.

По расположению входного отверстия подземные водосбросы разделяют на два типа: с поверхностным и с глубинным входным отверстием (рис. 5.1, 5.2).

По условиям движения воды в пределах сооружения подземные водосбросы подразделяются на следующие:

безнапорные, в которых поток в пределах транзитной части имеет свободную поверхность (в частном случае поток может не иметь свободной поверхности, когда пьезометрическая линия потока совпадает со сводом туннеля);

напорные, в которых поток воды не имеет свободной поверхности (частный случай безнапорного движения, отмеченный выше, составляет здесь исключение);

со смешанным гидравлическим режимом, когда по длине сооружения на одном участке режим напорный, а на другом безнапорный;

с переменным режимом, при котором на отдельных участках или на большей длине тракта может происходить чередование напорного и безнапорного режимов. Переменный режим является неблагоприятным и должен быть специально обоснован модельными исследованиями.

Целесообразность устройства того или иного типа водосброса определяется в каждом конкретном случае на основании гидравлических исследований и технико-экономических расчетов.

При проектировании высоконапорных водосбросов необходимо учитывать следующие особенности высокоскоростных потоков: способность к самопроизвольной аэрации и дроблению струй, а также к деаэрации;

возможность образования в определенных условиях в толще потока или на его жестких границах разрывов сплошности, каверн, заполненных паром или паром с воздухом, т.е. способность потока приводить к кавитационной эрозии сооружения;

способность оказывать гидродинамические, в том числе пульсационные, нагрузки на элементы сооружения;

возможность образовывать волны возмущения при взаимодействии бурного потока с сооружением;

Проектирование водосбросов без учета указанных особенностей высокоскоростных потоков приводило к их повреждениям и авариям.

Основными причинами, вызывающими разрушение бетонных и металлических поверхностей водосбросных трактов высоконапорных гидроузлов, являются кавитация, истирание наносами и гидродинамические нагрузки.

Характер кавитационных разрушений зависит от формы и стадии кавитации. Наиболее опасны участки, где в первую очередь возможны кавитационные повреждения - входные оголовки водосбросов, повороты оси водосбросов, переломы обтекаемых поверхностей, пространства за нижними кромками пазов плоских затворов, раздельные бычки затворных камер, местные неровности на обтекаемых потоком поверхностях проточной части водосбросов.

Подземные сооружения гидроэлектростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1996.