Строительные подземные водосбросы

Компоновочные и конструктивные решения строительных водосбросов рассмотрим на примерах конкретных гидроузлов.

Строительные туннели Токтогульской ГЭС (Кыргызстан). В состав сооружений Токтогульского гидроузла входят бетонная гравитационная плотина высотой 210 м, здание ГЭС с установленными четырьмя агрегатами общей мощностью 1200 МВт, водоприемник ГЭС, расположенный на верховой грани плотины, турбинные водоводы, поверхностный и глубинный эксплуатационные водосбросы, расположенные в теле плотины, и комплекс подземных сооружений - правобережный и левобережный строительные, а также транспортные, цементационные и дренажные туннели.

Правобережный строительный туннель имеет корытообразное поперечное сечение 11,6 х 14 м площадью 150 м2. Туннель проложен в известняках с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову, закреплен железобетонной обделкой толщиной 0,7 и 0,85 м. На входном оголовке установлен плоский затвор разового опускания, рассчитанный на напор 40 м. Скорость воды в туннеле при пропуске расчетного расхода 2200 м3/с по проекту составляет 15 м/с. Входной оголовок запроектирован в виде раструба с выносными бычками, присоединенными к вертикальным стенкам раструба с его торцовой стороны. На выходном оголовке устроен трамплин, предохраняющий от подмыва низовую перемычку и дорогу.

Туннель эксплуатировался с 1966 по 1973 г., т.е. значительно дольше, чем было предусмотрено проектом. Скорость воды в туннеле достигала 17 м/с, расход воды 2550 м3/с, за период работы туннеля было перенесено около 190 млн. т наносов (из них 6,7 млн. т донных наносов). В верхнем бьефе за счет расположения порога входного оголовка на 5 м выше дна русла реки часть влекомых наносов оседала в течение первых пяти лет эксплуатации.

Натурными исследованиями в процессе эксплуатации было установлено, что пропускная способность туннеля при его работе в безнапорном режиме совпадает с расчетной, определенной как для неподтопленного водослива с широким порогом при коэффициенте расхода 0,35. При работе туннеля в переходном и напорном режимах пропускная способность его оказалась выше расчетной на 20-25%. Основной причиной такого отклонения явился завышенный в проекте коэффициент шероховатости. Глубина истирания обделки туннеля достигла 0,8 м.

Левобережный строительный туннель проложен в известняках, характеризующихся высокой степенью устойчивости на большей части длины туннеля. Туннель имеет площадь поперечного сечения в свету 30 м2 и рассчитан на пропуск максимального расхода воды 600м3/с. Входной участок туннеля прямоугольного раструбного сечения (с шахтой затвора) сооружен в теле бетонной плотины. Обделка туннеля корытообразного очертания шириной 6 м выполнена из набрызг-бетона толщиной 2-4 см и железобетонных анкеров длиной 1,5 м. На припортальных участках и в ослабленных породах устроена железобетонная обделка. Лоток закреплен на всей длине туннеля бетоном В15 (М 200) толщиной 0,3-0,5 м. Обделка из набрызг-бетона в гидротехническом туннеле, работаюшем в переменном гидравлическом режиме, в практике отечественного туннелестроения была выполнена впервые. Это позволило уменьшить объем скальной выломки на 2,5 тыс. м3 и сократить срок строительства туннеля. Наиболее сложный конструктивный элемент туннеля - концевой участок представляет собой наклонный раструб, пролет которого на длине 15 м увеличивается с 6 до 19 м, а отметка дна лотка в продольном направлении снижается на 9 м.

По проекту предполагалось, что туннель будет эксплуатироваться в безнапорном режиме в течение 6 месяцев. Однако в течение 2,5 лет (не считая перерывов для осмотров и ремонтных работ) туннель работал из-под полуопущенного затвора при напоре до 50 м и скоростях до 30 м/с.

При осмотре туннеля были обнаружены повреждения обделки и размыв породы в сводовой части (до 7-8 м), в стенках (до 4-5 м) и в лотке (в среднем до 3 м) на участке длиной 40 м, на котором размыв заполнителя трещин привел к обрушению отдельных блоков породы. Ремонтные работы проводились в течение 6 месяцев. Расходы воды в это время пропускали по правобережному строительному туннелю. На ремонт туннеля было затрачено около 9 тыс. м3 бетона.

Строительные туннели Нурекской ГЭС (Таджикистан). В состав Нурекского гидроузла входят каменно-земляная плотина, сооружения напорно-станционного комплекса, три строительных и два эксплуатационных водосбросных туннеля, транспортные и грузовые туннели, открытое распределительное устройство (ОРУ). Строительные водосбросы расположены на левом берегу в три яруса.

Туннель I яруса имеет корытообразное сечение площадью 103 м2, на начальном участке оборудован двумя плоскими затворами 5x10 м, рассчитанными на напор 110 м и управляемыми из подземного помещения. Туннель рассчитан на пропуск расхода 1650 м3/с. Гидравлический режим работы туннеля переменный: в межень - безнапорный, в паводок - напорный. Максимальная скорость воды в туннеле 16 м/с.

Очертания концевого участка туннеля были приняты на основании модельных гидравлических исследований НИС Гидропроекта с учетом возможного размыва русла реки в нижнем бьефе. Для защиты выходного портала от подмыва применен анкерный зуб с Укрепительной цементацией породы. Анкеры выполнены железобетонными, со штангами из арматурной стали периодического профиля. Скважины для установки анкеров бурились на 15 м ниже основания донной плиты портала.

Поскольку по расчетам истирания лотка обделки туннеля макси, мальная глубина износа за проектный период эксплуатации (4 года) составляла 0,15 м, специального защитного покрытия обделки не предусматривалось.

Туннель весь период эксплуатации работал непрерывно (с непродолжительными остановками для его осмотра). Когда расход воды в реке достигал 950 м3/с, в работу автоматически вступал строительный туннель II яруса, входной портал которого расположен на 18 м выше первого.

В связи с тем что туннель выходит почти под прямым углом к берегу реки, а также вследствие принятого поверхностного сопряжения сбрасываемого потока с нижним бьефом, правый берег реки против выходного портала туннеля подвергся значительному размыву. Максимальная глубина размыва за порталом достигла 14 м, как это и было определено при модельных исследованиях.

После окончания строительства туннель был заделан бетонной пробкой в створе оси плотины. Перед возведением основной пробки, воспринимающей напор 260 м, сначала непосредственно за камерой затворов забетонировали пробку первой очереди, рассчитанную на напор 125 м.

Туннель II яруса предназначен для пропуска паводковых расходов совместно с туннелем I яруса (первый период эксплуатации), а затем с туннелем III яруса (второй период эксплуатации). В первый период (до начала наполнения водохранилища) туннель работал в нерегулируемом напорно-безнапорном режиме при скорости воды 16-17 м/с. Во второй период туннель работал в смешанном режиме: до камеры затворов в напорном и ниже камеры - в безнапорном режиме при скорости воды на участке до камеры 20 м/с, ниже камеры 42 м/с. Площадь сечения туннеля (103 м2) определилась необходимостью пропуска расчетного расхода 1600 м3/с (в нерегулируемом режиме).

Исходя из гидравлического режима работы туннеля были приняты марки бетона для обделок, подобраны очертания проточной части и рекомендованы способы обработки и защиты обделок от кавитационной эрозии. Бетонная смесь подбиралась с учетом требований прочности, водонепроницаемости и стойкости против агрессивного воздействия подземных вод. Для участка туннеля от вход- ного портала до камеры затворов, а также для камеры затворов- имеющей стальную оболочку, был принят бетон В 15 (М 200). НиЖ® камеры затворов лоток и стены в пределах смоченного периметра выполнены из бетона В 30 (М400) с повышенной кавитационной стойкостью, а остальная часть сечения - из бетона В 25 (М 300).

Двухпролетная камера затворов в туннеле сооружалась в два этапа и обеспечивала пропуск паводков в первые годы эксллуатации при отсутствии промежуточного бычка, закладных частей и затворов.

Геометрические формы и размеры проточной части камеры были исследованы на гидравлических моделях в СКВ Мосгидросталь и НИС Гидропроекта. Исследованиями была установлена целесообразность подвода воздуха в межзатворное пространство. Подвод воздуха осуществлялся по коротким воздуховодам, выпрлненным в виде тройника, соединяющего пространство между затворами с основ- ным воздуховодом (атмосферой) и с безнапорным участком туннеля за регулирующими затворами. Отключение воздуховода производилось задвижкой с электроприводом. Применение коротких воздуховодов позволило упростить подземный комплекс сооружений аэрационного тракта, сократить продолжительность и стоимость его строительства.

Аэрация безнапорного участка туннеля производилась через грузоаэрационную шахту и аэрационный туннель. Площадь сечения последнего составляет 0,1 площади сечения строительного туннеля. В межзатворное пространство воздух поступал по коротким воздуховодам, забирающим воздух из основного Еоздуховода.

В межпаводковые периоды в туннеле были проведены опытнопроизводственные работы по нанесению защитных эпоксидных и торкретных покрытий.

Когда началось наполнение водохранилища для пуска агрегатов ГЭС I очереди (в августе 1972 г.), строительный туннель I яруса был отключен и необходимые попуски воды объемом до 600 м3/с производились через строительный туннель И яруса при возрастании напора на затворы до 100 м и скоростей потока за ними до 40 м/с. В 1976 г. туннель был заделан бетонными пробками у камеры затворов (за сегментными затворами) и в створе оси плотины.

Строительный туннель III яруса Нурекской ГЭС предназначен для пропуска паводковых расходов сначала совместно с туннелем II яруса, а затем с глубинным эксплуатационным водосбросом. Туннель длиной 1350 м оборудован двумя основными сегментными затворами 5x6м, рассчитанными на напор 110 м. Кроме того, предусмотрены аварийные и ремонтные затворы, последние рассчитаны на напор 175 м. Управление затворами осуществляется из подземных помещений, соединенных с дневной поверхностью грузовым туннелем.

На участке от входного портала до основных затворов туннель работает в напорном режиме со скоростями потока дс 20 м/с, за затворами - в безнапорном режиме со скоростями до 40 м/с.

По условиям производства работ принята корытообразная форма поперечного сечения туннеля. На участке от входного портала до отводящего участка туннеля за основными затворами обделка выполняется из железобетона В 15 (М200). На отводящем участке для обделки свода и стен верхнего уступа принят бетон В 25 (М 300), а для стен нижнего уступа В 30 (М 400). Лоток на этом участке закрепляется бетоном В 30. Для приготовления бетонов В 25 и В 30 использовался высокопрочный щебень. Согласно принятым на строительстве техническим условиям общая неровность (волнистость) поверхности на всей длине туннеля не должна превышать 1:100. Местные неровности, например уступы на стыках блоков бетонирования или элементов опалубки, не должны быть более: 10-15 мм на участке до камеры затворов, 5 мм - ниже камеры до примыкания эксплуатационного водосброса и 2 мм - на участке от примыкания водосброса и до конца сооружения. Обработка уступов производится с уклоном 1 : 10 путем шлифования или покрытия полимерными составами.

Узел затворов строительного туннеля III яруса скомпонован с двухпролетной камерой, так же как и узел затворов туннеля И яруса, но кроме аварийно-ремонтных здесь предусмотрены ремонтные затворы. За регулирующие затворы и в межзатворное пространство подводится воздух через короткие воздуховоды.

Строительный туннель Курпсайской ГЭС (Кыргызстан). В состав сооружений Курпсайской ГЭС входят бетонная плотина высотой 115 м с глубинным водосбросом, приплотинное здание ГЭС с установленными четырьмя агрегатами общей мощностью 800 МВт, эксплуатационный туннельный водосброс с поверхностным водоприемником и строительный туннель.

Строительный туннель длиной 634 м расположен на правом берегу и предназначен для пропуска расходов реки в период возведения плотины до отметки, обеспечивающей соответствующий напор над порогом глубинного водосброса, размещенного в плотине. С учетом незаполненного вышележащего водохранилища Токтогульской ГЭС расчетный расход воды для туннеля принят равным 1100 м3.

Входной оголовок протяженностью 20,6 м выполнен с выносными бычками с полуподземным припортальным участком длиной 15,5 м. Свод портала на участке длиной 10 м и боковые стены на участке длиной 3 м для уменьшения гидравлических сопротивлений выполнены по кривой, подобранной на основании модельных исследований.

В туннеле устроены два типа обделок: из бетона и набрызг-бетона.

Выходной портал длиной 13 м в плане выполнен расширяющимся от 10 до 15 м с целью уменьшения расходов воды, приходящихся на 1 м ширины лотка. Для предохранения портала от подмыва в лотке сделан анкерный зацементированный зуб с четырьмя рядами анкеров диаметром 50 мм и длиной 10 м, установленных через 1 м в шахматном порядке. После установки анкеров на участке длиной 25 м была выполнена укрепительная цементация породы под лотком на глубину Зм.

Эксплуатационный режим туннеля (с мая 1978 г. по январь 1981 г.) характеризовался следующими параметрами: максимальный расход воды 915 м3/с; максимальный перепад уровней 25 м, режим смешанный (напорно-безнапорный), в том числе на входном оголовке - безнапорный; максимальные скорости воды (средние по сечению) на участках с набрызг-бетонным покрытием достигали 10 м/с, давление воды на контакте скалы с обделкой на участках с набрызг-бетонным покрытием составляло 0,2 МПа, замеренное среднеквадратичное значение пульсации давления 76 Па. Фактическая пропускная способность оказалась близкой к расчетной.

Строительный туннель Спандарянской ГЭС (Армения). Туннель длиной около 500 м, корытообразного сечения, размером 4x4 м, с бетонной обделкой толщиной 25 см рассчитан на безнапорный режим работы с максимальным расходом 96 м3/с. Был принят в эксплуатацию 18 июня 1979 г. и непрерывно работал до 9 мая 1988 г., когда было начато наполнение водохранилища. В створе оси плотины забетонировали пробку длиной 11,5 м. Вследствие быстрого наполнения водохранилища 30 мая 1988 г. под действием давления воды и грунта на расстоянии 40-45 м от входа в туннель (затвора) на участке слабых пород обделка разрушилась и вода из водохранилища прорвалась в порожний туннель. В результате быстрого заполнения верхового участка туннеля произошел гидравлический Удар, который привел к разрушению обделки и не набравшего прочность бетона пробки. Для обеспечения нормальной эксплуатации гидроузла был выполнен комплекс работ по заделке с поверхности строительного туннеля без захода в туннель рабочих.

Строительный туннель яруса Чарвакекой ГЭС (Узбекистан).

В состав Чарвакекой ГЭС входит водосбросные сооружения, состоящие из строительного туннеля яруса, глубинного строительно-эксплуатационного водосброса и шахтного эксплуатационного водосброса; отводящий тракт шахтного водосброса используется дли пропуска строительных расходов,

Строительный туннель I яруса (рис, §,3) диаметром И м рассчитан на пропуск расхода воды 1410 м/ч в период возведения плотины до пусковой отметки первой очереди ГЭС с напором 93 м, Туннель запроектирован для пропуска строительных расходов на два этапа, На первом этапе расходы воды проходили транзитом, на вто ром (с 1971 по 1173 г.) пропускная способность регулировалась установленными в конце туннеля сегментными затворами, рассчитанными на напор 30 м, После наполнения водохранилища до пусковой отметки ГЭС затворы демонтировали,

После возведения туннельного водосброса И яруса расход воды стая пропускаться по нему, а туннель I яруса был заделан бетонной пробкой, Участок туннеля ниже пробки используется в качестве отводящего безнапорного туннеля шахтного эксплуатационного водосброса,

Входной оголовок строительного туннеля оборудован плоским скользящим ремонтным затвором И HIM, рассчитанным иа напор 10 м, маневрирование которым осуществляется с помощью ленточного гидроподъемника, установленного на металлической башне, Концевой участок туннеля после выхода на дневную поверхность разделен на два отверстия, оборудованные основными сегментными затворами i § м и аварийно-ремонтными затворами, рассчитанными на напор 93 м,

Строительные туннели Рогунской НС (Таджикистан), состав основных сооружений Рогунской ПС мощностью 3100 МВт (6 агрегатов) входят каменно-земляная плотина высотой 120 м, сооружения напорно-станционного узла с подземным машинным залом, подземные строительные и эксплуатационные водосбросы,

Впервые в мировой практике гидротехнического строительства запроектированы строительные туннели (две нитки) с регулирующими затворами, перекрывающими отверстия 20 м1 и работающими при напорах до 200 м.- Пропуск воды и одному туннелю (через три отверстия) достигает 2300 м3/с,

В состав водосбросов входят; ©головки, напорные участки туннелей, УЗЛЫ ремонтных, аварийно-ремонтных и основных затворов безнапорные участки туннелей и вспомогательный строительный туннель, подключаемый к туннелю 1 яруса.

Для входных оголовков туннелей разработана конструкция, в которой проточная часть аналогична оголовку Токтогульской ГЭС, но благодаря отсутствию затворов оголовок максимально вдвинут в скальный массив.

Туннели оборудуются тремя рядами затворов, расположенных в общей трехпролетной камере: тремя плоскими ремонтными затворами 3,5x10 м, рассчитанными на напор 300 м, тремя плоскими аварийно-ремонтными затворами 3,5 х 9,9 м, напор 200 м и тремя сегментными основными затворами 3,5 х 6 м, напор 200 м. Управление затворами производится из помещений подъемных механизмов, вход в которые осуществляется через транспортный туннель № 8. Воздух к камерам затворов подводится со стороны выходного портала по отводящему туннелю ГЭС, а затем - по аэрационным воздуховодам транспортного туннеля № 8 (рис. 5.4).

Для защиты от кавитации в камере затворов предусмотрена стальная оболочка. В конце оболочки, а также в месте сопряжения строительных и отводящих туннелей ГЭС устроены пазы-аэраторы.

Обделки водосбросных туннелей, проходящих в породах средней и выше средней крепости, рассчитывают, как правило, на давление подземных вод и пульсацию давления в потоке, кроме того, при наличии в потоке твердого стока определяют глубину возможного истирания лотка. Исходя из этого назначают толщину обделки и количество арматуры. Если туннель проходят способом нижнего уступа (в два яруса), то при бетонировании обделки стыкуют арматуру свода и стен.

Для уменьшения давления подземных вод устраивают шпуровые дрены, а для восприятия давления устанавливают железобетонные анкеры, которые передают нагрузки от обделки на массив породы. С целью получения большего защитного слоя бетона, работающего также на истирание, арматура в лотке расположена со стороны основания. В стенах арматура верхнего и нижнего ярусов обделки между собой не стыкуется, а нагрузки от верхней и нижней частей стен передаются на замыкатель, прианкеренный к породе.

На строительстве водосбросных и отводящих туннелей Рогунской ГЭС широко применяется сборно-монолитная обделка (рис. 5.5).

После окончания эксплуатации строительные туннели ликвидируются. Ниже ремонтных затворов, в переходных участках камер, устраиваются бетонные пробки общей длиной по 46 м, рассчитанные на напор 300 м. За пробками до участков сопряжения с отводящими туннелями ГЭС туннели закладываются галечниковым грун- том, а подсводовая часть заполняется цементно-песчаным раствором. Шахты затворов и герметические крышки ремонтных затворов закладываются бетоном, а помещения подъемных механизмов заполняются галечниковым грунтом. В незаполненное подсводное пространство нагнетается цементно-песчаный раствор.

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