Принципы компоновки подземных гидротехнических сооружений

Основными признаками оптимальных компоновок являются: наилучшие энергоэкономические показатели, наименьшее воздействие на окружающую среду, наибольшие надежность и удобства при эксплуатации, оптимальные условия для организации и производства работ, возможность расположить основные сооружения в наиболее крепких породах.

Компоновка и состав сооружений подземного комплекса ГЭС определяются местом расположения машинного зала ГЭС. По этому признаку различают три принципиальные схемы компоновки сооружений ГЭС (рис. 1.2) - головную, концевую и промежуточную.

Для ГАЭС с подземными машинным залом и низовым бассейном характерна головная компоновка (рис. 1.3). Также можно отнести к головной схеме ГАЭС с открытыми бассейнами, подземными турбинными водоводами, подземным (полуподземным шахтным) или наземным машинным залом (рис. 1.4).

Компоновка подземных сооружений ГЭС определяет состав, типы и размеры сооружений (энергетических, транспортных, вспомогательных, строительных).

Головная схема компоновки сооружений (рис. 1.5) является энергоэкономически наивыгоднейшей, так как машинный зал с турбинами максимально приближен к водоприемным сооружениям. Необходимыми условиями применения головной схемы является наличие маловодопроницаемых прочных пород. Машинный зал располагается на глубине, соответствующей схеме использования водотока в каскаде ГЭС. Вода к турбинам подводится вертикальными или наклонными турбинными водоводами, обеспечивающими минимальные потери напора. При небольшой длине турбинных водоводов и индивидуальном подводе воды к каждой турбине быстродействующие затворы устанавливаются в водоприемнике, а при большой протяженности водоводов - перед спиральной камерой.

Эксплуатационные (строительные) подъезды и выработки целесообразно выполнять горизонтальными (слабонаклонными). При большом заглублении машинного зала характерны вертикальные подходы (шахтные).

Электроэнергия выдается на генераторном напряжении; при этом повышающие трансформаторы располагают на поверхности, либо при большой глубине заложения. Если трансформаторы располагаются под землей, то выдача энергии осуществляется на высоком напряжении по высоковольтным кабелям. При выборе вариантов вертикальных или горизонтальных подходов следует учитывать, что сооружение одного погонного метра шахт в несколько раз дороже туннелей. Кроме того, строительство туннелей проще и технологичнее строительства шахт, а эксплуатация туннелей требует меньше затрат.

Отводящая деривация выполняется, как правило, безнапорной. Если же нижним бьефом ГЭС служит водохранилище со значительными колебаниями уровня и необходима большая высота безнапорного туннеля, отводящая деривация выполняется напорной. При большой длине напорной отводящей деривации в начале ее приходится устраивать либо расширительный бассейн, либо уравнительный резервуар.

Головная схема имеет значительные технико-экономические преимущества по сравнению с промежуточной и концевой схемами. Длина высоконапорных подводящих водоводов минимальна; таким образом, экономится цемент и высокопрочный металл. Расчетный напор на спиральные камеры турбин снижается, повышается регулирующая способность турбин из-за уменьшения инерции турбинного водовода. Отводящая деривация (безнапорная или низконапорная), прокладываемая обычно в крепких породах, осуществляется необлицованной или с облегченной обделкой. Эксплуатация ГЭС в случае головной схемы значительно упрощается, так как в одном комплексе объединяются напорные, водозаборные сооружения и сооружения станционного узла. Также значительно меньше требуется вспомогательных предприятий для организации и производства подземных работ на комплексном станционно-головном узле, а следовательно, сокращается и потребность в рабочей силе.

В то же время при головной схеме компоновки подземный машинный зал, расположенный близко к водохранилищу, может попасть в зону действия напорных подземных вод. В этом случае необходимы специальные меры защиты машинного зала - породоанкерный свод, специальный дренаж и цементация пород. Поэтому желательно располагать подземные сооружения станционного узла ниже по течению от защитной цементационной завесы напорного фронта.

Концевая схема компоновки сооружений (рис. 1.6) широко применяется на деривационных ГЭС, а в последние годы и на припло- тинных ГЭС, чаще всего с высоконапорными плотинами из местных материалов. Она характерна тем, что машинный зал располагается в конце длинной подводящей деривации, причем состав сооружений на деривации не зависит от типа машинного зала - подземный, полупод- земный или наземный. Подводящая деривация может выполняться в виде безнапорного туннеля, если на головном (водозаборном) узле имеют место небольшие колебания горизонта воды. Деривация заканчивается напорным бассейном, иногда с суточным регулированием, от которого по турбинным водоводам вода подается к турбинам ГЭС. Чаще подводящая деривация выполняется напорной, а в конце деривации сооружается уравнительный резервуар, от которого вода поступает по водоводам к турбинам. Перед турбинами устанавливаются быстродействующие затворы.

В концевой схеме машинные залы расположены ближе к поверхности, чем в головной. Выдача энергий осуществляется на генераторном напряжении, а трансформаторы располагаются на поверхности земли. Эксплуатационные и строительные подходы выполняются горизонтальными, что облегчает производство работ и эксплуатацию станционного узла.

Отвод воды от турбин в реку или нижерасположенное водохранилище производится безнапорными туннелями (каналами), или, при больших колебаниях уровня воды в нижнем бьефе, напорными туннелями. Уравнительные резервуары (камеры) при малой длине отводящей деривации не требуются.

В концевой схеме наибольший расход материалов (металла, цемента) идет на сооружение напорной подводящей деривации, которая значительно дороже отводящей деривации в головной схеме.

В связи с расположением машинного зала в концевой части скального массива не всегда удается разместить его в крепких монолитных породах, что осложняет сооружение и эксплуатацию ГЭС. Эксплуатационные условия при концевой схеме усложняются из-за наличия двух (иногда трех) узлов - головного и станционного. Регулирующая способность ГЭС ухудшается из-за длинной напорной деривации.

Промежуточная схема компоновки сооружений ГЭС (рис. 1.7) позволяет сократить длину дорогостоящей подводящей напорной деривации. Подземный машинный зал может быть расположен в любой точке деривации. Промежуточная схема имеет некоторые преимущества по сравнению с головной. Станционный узел удален от напорного фронта, и в результате этого влияние водохранилища на обводненность пород значительно меньше. В то же время напорная деривация длиннее, чем при головной схеме. Подходы к зданию ГЭС обычно короче и могут быть выполнены горизонтальными.

Иногда промежуточная схема компоновки сооружений обусловле- на лучшими инженерно-геологическими условиями.

Подводящая деривация в промежуточной схеме может выполняться напорной или безнапорной в зависимости от колебаний уровня воды верхнего бьефа. Отводящая деривация также в зависимости от колебаний уровня воды в нижнем бьефе выполняется либо безнапорной, либо напорной. При напорных подводящей и отводящей деривациях в конце подводящей и в начале отводящей устраиваются уравнительные Резервуары. Система из двух резервуаров рассчитывается как взаимосвязанная сложная гидравлическая система, обеспечивающая затухание колебаний при неустановившихся режимах (см. §2.1).

Эксплуатационные условия при промежуточной схеме сложнее, чем при головной, так как нужно эксплуатировать два узла - напорный и станционный. Однако применение промежуточной схемы в при- плотинных ГЭС не создает дополнительных трудностей при эксплуатации.

Компоновка и конструкция подземных станционных узлов ГЭС ц ГАЭС зависят от места расположения машинного зала (головное, концевое, промежуточное), типов подходов к нему, инженерно-геологических условий и размеров основного оборудования. Оборудование ГЭС и ГАЭС можно разделить на три группы:

гидромеханическое оборудование - затворы, устанавливаемые на турбинных водоводах (ремонтные, аварийные, быстродействующие затворы на отсасывающих трубах); гидросиловое оборудование; электрическое оборудование - трансформаторы, выключатели и др.

Варианты расположения основного оборудования, затворов и трансформаторов приведены на рис 1.8:

выдача энергии ГЭС производится на высоком напряжении и повышающие трансформаторы расположены под землей (рис. 1.8, а);

механизмы подъема и управления затворами на отсасывающих трубах во всех схемах могут располагаться в отдельном помещении над выходом отсасывающих труб либо в трансформаторном помещении (рис. 1.8, б, варианты /-///).

Опыт показывает, что оптимальным по строительным и эксплуатационным условиям является размещение всего оборудования в одном помещении (машинном зале). Однако для осуществления такого решения необходимы высокие прочностные показатели и устойчивость скального массива, позволяющие создать подземную выработку большого пролета. Такая компоновка оборудования применяется для высоконапорных ГЭС, оборудование которых имеет сравнительно небольшие размеры: ГЭС Нечако-Кемано (Канада), Ябланица (Югославия) и др. В этом случае особо высокие требования предъявляются к надежности затворов, так как в случае аварии произойдет затопление всего гидросилового и электрического оборудования. При раздельном расположении для предотвращения затопления помещения отделяются друг от друга герметическими, автоматически действующими дверями.

Выбор варианта компоновки оборудования производится на основе технико-экономического сравнения с обязательным учетом условий строительства и эксплуатации, которые не всегда могут быть оценены в стоимостных показателях. Обязательно должны быть рассмотрены варианты совмещения помещений различного назначения в целях экономии кранового оборудования, вентиляционных установок и уменьшения количества монтажных площадок.

Расположение монтажной площадки. В подземных машинных залах монтажная площадка может располагаться в любом месте, так как по вертикальному или горизонтальному подходам можно подать оборудование в любое место машинного зала. Наиболее рациональное месторасположение монтажной площадки - посередине между агрегатами. Это позволяет, например, на двухагрегатной ГЭС сократить пролет и высоту машинного зала, так как при монтаже и Ремонте части гидроагрегата не требуется проносить над работающим агрегатом. На Храмской ГЭС-Н (Грузия) (рис. 1.10) удалось Уменьшить пролет и высоту выработки соответственно на 5 и 10 м и увеличить объем раздельного массива между агрегатами. При большем четном числе агрегатов удается обеспечить поагрегатный ввод со значительно меньшими затратами, чем при расположении монтажной площадки в торце машинного зала, что весьма важно для крупных ГЭС и ГАЭС. Также срединное расположение монтажной площадки упрощает разбивку агрегатных блоков на электрические секции, уменьшает длину силового и контрольного кабелей, улучшает условия эксплуатации ГЭС.

Как показывает опыт, целесообразно совмещать сооружения различного назначения. Так, транспортные туннели совмещаются с кабельными (шинными) и вентиляционными, а монтажные шахты - с вентиляционными, шинными или транспортными (лифтовыми). Обязательным правилом по условиям безопасности является устройство двух выходов из машинного зала ГЭС.

Компоновка других подземных сооружений ГЭС. Крупные гидротехнические подземные сооружения необходимы для пропуска расходов реки при строительстве и эксплуатации больших плотин. Компоновки этих сооружений зависят от типа плотины, ее высоты, расходов реки. Наиболее рациональным является совмещение строительных и эксплуатационных водосбросов. Водоприемники гидроузлов с высоконапорными плотинами сооружаются на разных отметках.

На рис. 1.11 представлена компоновка водосбросных и других подземных сооружений - высокой плотины из местных материалов Рогунской ГЭС.

Опыт эксплуатации водохранилищ показал, что в каждой высоконапорной плотине для обеспечения надежности необходимо специальное сооружение для полной сработки водохранилища. Наилучшим решением этой проблемы могут быть сбросные туннели.

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