Опыт эксплуатации водоводов
Согласно [26] при проектировании гидротехнических туннелей должна быть предусмотрена возможность их опорожнения на всем протяжении для осмотра и ремонта. Следует предусматривать возможность удобного транспортирования в гидротехническом туннеле материалов и оборудования, а также передвижения персонала, выполняющего ремонтные работы.
Для туннельных турбинных водоводов, имеющих диаметры 4-10 м и сложную разветвленную схему, включающую горизонтальные, наклонные и вертикальные участки, колена, подключения промежуточных подводящих водоводов и пространственные развилки (например, на Нурекской ГЭС), приходится разрабатывать проекты специального оборудования для осмотра и ремонта внутренней поверхности водоводов, представляющего собой целый комплекс устройств и приспособлений.
Учитывая большие сложности, связанные с организацией осмотра турбинных водоводов, особенно их вертикальных и наклонных участков, это мероприятие проводят очень редко и в основном в связи с создавшейся аварийной обстановкой. Например, турбинные водоводы Нурекской ГЭС, первые агрегаты которой пущены в 1972 г., не осматривали еще ни разу. Такая же картина наблюдается и на других гидроэлектростанциях, эксплуатируемых без каких-либо видимых осложнений.
Поэтому в технической литературе очень скупо освещен опыт эксплуатации туннельных турбинных водоводов. Ниже приведены некоторые из этих примеров.
Напорный наклонный турбинный водовод ГЭС Герлос (Австрия) имеет стальную оболочку толщиной 26,5 мм. Шахта диаметром 1,7 м пройдена в слабых горных породах, которые покрывает толща пород небольшой мощности. Параллельно этому водоводу пролегала дренажная штольня. Во время эксплуатации в четырех местах в облицовке произошли разрывы. При этом давление у верхних разрывов достигало 4,14 МПа, а у нижних 6,28 МПа. Несмотря на то что стальная облицовка была рассчитана на полное внутреннее давление воды, она оказалась нарушенной в направлении вдоль штольни, вслед за чем последовал интенсивный размыв и вынос породы с образованием обширных каверн, а генераторы машинного зала оказались затопленными. Авария произошла из-за неравномерной деформации забутовки крепления дренажной штольни, что привело к развитию в стальной облицовке изгибающих моментов.
В напорном наклонном турбинном водоводе Храмской ГЭС-2, имеющем диаметр 3,13 м и стальную оболочку, на участке длиной 280 м при его опорожнении произошло выпучивание оболочки под действием давления подземных вод.
В водоводах ГЭС Сан-Джиакомо (Италия) и Апер Кемпелл-Лейк (Канада) также имело место повреждение стальной оболочки под действием давления подземных вод. Для разгрузки от внешнего давления был применен дренаж с выпуском воды в трубы, проложенные внутри водоводов.
На ГЭС Рипогенус (США), включающей плотину, водовод и здание станции, в 1987 г. во время плановой остановки проводилась инспекция подземных сооружений. Построенный в 1916 г. гидроузел был модернизирован в 1951-1953 гг., в результате чего в его состав вошли следующие сооружения: водоприемник, туннель, турбинные водоводы, уравнительный резервуар и здание ГЭС с тремя агрегатами суммарной установленной мощностью 37,5 МВт. Напор ГЭС составил 58.5 м, расход 93,5 м3/с.
Вода из встроенного в плотину водоприемника пролетом в свету 9,1 м поступает через шахту диаметром 4,9 м глубиной 30,5 м в напорный туннель того же диаметра с монолитной бетонной обделкой. В 30 м от здания ГЭС туннель разделяется на три турбинных водовода диаметром 3 м, длинами от 30 до 41,4 м. Перед разветвлением в туннель врезан стояк уравнительного резервуара. Доступ в туннель возможен через лаз шириной 0,9 м, высотой 1,5 м и длиной 6,1 м в перемычке (пробке) в торце туннеля.
Обследование туннеля показало, что закрепленные бетоном участки турбинных водоводов в целом находятся в хорошем состоянии. Диаметры локальных пятен изменяются от 5 до 75 см; глубина их достигает 15 см (в среднем диаметр составляет 10 см, глубина 2,5 см). Выявленная эрозия лотка заключается в образовании небольших отверстий в твердом бетоне на контакте бетонной обделки со стальной облицовкой в твердом бетоне. На контакте бетонной обделки со стальной облицовкой имеются участки эрозии глубиной до 5 см, покрытые шламом, что свидетельствует о ее давности и стабилизации. Обделка со стальной оболочкой во всех водоводах находится в очень хорошем состоянии. Она целиком покрыта слоем темно-коричневого шлама толщиной 3 мм. Местами замечены налеты ржавчины глубиной до 10 мм, после удаления которых открывалась блестящая поверхность металла с небольшой раковиной глубиной не более 1.5 мм.
Нарушение технологии сварочных работ приводит к утечкам воды из напорных водоводов. Это явление наблюдалось в водоводах Верхне-Туломской, Сухумской, Ткибульской, Шамбской ГЭС и др
Слабым местом с точки зрения образования очагов фильтрации в напорных водоводах является участок сопряжения бетонной обделки со стальной облицовкой, где вследствие резкого изменения жесткостей обделок может образоваться сквозная кольцевая трещина, как это имело место в деривационном туннеле Теребля-Рикской ГЭС. Ликвидация таких дефектов в период эксплуатации связана с большими материальными затратами и неполной выработкой электроэнергии. Так, в упомянутом туннеле Теребля-Рикской ГЭС ремонтные мероприятия включали инъекцию цементного раствора, заделку кольцевой трещины, укрепление бетонной обделки стальной облицовкой на участке длиной 70 м.
Одной из важнейших задач эксплуатации водоводов является защита конструкций стальных оболочек от коррозии. В подземных туннельных водоводах внешняя поверхность оболочек надежно защищена слоем бетона или раствора. Защита от коррозии внутренней поверхности оболочки до настоящего времени не имеет однозначного решения. Это объясняется, с одной стороны, трудностями, связанными с восстановлением окраски внутренней поверхности водовода, с другой - неоднородностью условий работы водоводов и большой разницей в скоростях коррозионных процессов внутри водовода. Интенсивность коррозионного износа оболочки зависит от химического состава воды, от количества и свойств взвешенных в воде твердых частиц, от качества защитного покрытия, режима работы водовода и скоростей воды в нем.
Проведенные СКВ Мосгидросталь обследования 15 стальных напорных трубопроводов различных ГЭС, расположенных на реках Кавказа, а также на Иртыше, Днепре, Сырдарье, Ковде, Ворзобе, Иове и Чирчике, не обнаружили сколько-нибудь существенного коррозионного износа внутренней поверхности оболочки. Уменьшение толщины оболочки против проектной составляло от 0 до 0,8 мм, несмотря на то что многие водоводы находились в эксплуатации уже более 30 лет и имели только покрытие из кузбасслака или вообще не были защищены с внутренней стороны.
На внутренней поверхности всех водоводов обнаружена сплошная корка отложений, которая в большинстве случаев плотно прилегает к металлу. Исключение составляют водоводы Ворзобских ГЭС, где вследствие содержания большого количества песка в воде отложения в нижней половине водовода не образуются и металл совершенно чистый.
Следует учитывать, что коррозия внутренней поверхности водовода не только ослабляет оболочку, но и увеличивает шероховатость поверхности, что приводит к дополнительным потерям напора в водоводе.
Для обеспечения высокой эксплуатационной надежности туннельных турбинных водоводов проводятся их предпусковые гидравлические испытания. Основанием для этого являются следующие соображения:
1) высокое качество водовода при приемке работ может быть подтаерждено только положительными результатами гидравлических испытаний, поскольку этот способ проверки является самым достоверным и надежным;
2) гидроэлектростанцию обычно пускают в эксплуатацию при пониженных отметках уровня воды в водохранилище. Напор в водоводе при этом значительно меньше проектного и имеющиеся дефекты в этот период могут не проявиться. Однако с ростом напора протечки могут резко возрасти и тогда возможны серьезные последствия, например оползание склона;
3) устранение серьезных дефектов, обнаруженных во время испытаний, значительно проще, чем обнаруженных после нескольких лет эксплуатации, поскольку в строительный период монтажная организация со всей необходимой техникой и материалами находится на стройплощадке;
4) любой ремонт эксплуатируемого водовода связан с неполной выработкой электроэнергии;
5) в оболочке обетонированных облицовок имеется много заглушек, вваренных в цементационные отверстия. При наличии во время сварки за облицовкой влажного бетона или фильтрационной воды сварные швы получаются рыхлыми и через них из занапоренного водовода вода фильтруется в грунтовый массив.
Опыт предпусковых испытаний стальных водоводов, обетонированных в подземных выработках, показывает следующее:
заделываемые водоводы следует испытывать после их обетонирования. Непосредственно после опорожнения необходимо изнутри выполнять осмотр стальной оболочки на предмет ее сохранности и наличия очагов фильтрации;
давление воды в водоводе при испытаниях рекомендуется принимать не менее расчетного;
при производстве цементации грунта, затрубных пустот и зазоров в отдельных случаях имеет место нарушение целостности оболочки.
Подземные сооружения гидроэлектростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1996.
