10.2 Дамби і затвори гес

Дамби,що перегороджують русла річки, призначені для створення водосховища і тим самим є найголовнішою спорудою гідровузла для створення натиску і регулювання стоку. Всі дамби діляться на дві основні групи, що відрізняються одина від одної використовуваним матеріалом: дамби бетонні і залізобетонні і дамби грунтові (земляні, кам'яно-накидні і кам'яно-земляні).

Бетонні і залізобетонні дамби за конструктивними ознаками діляться на гравітаційні, арочні і контрфорсні. Відмітною ознакою гравітаційних дамб є їх масивність (мал. 10.4). Велика маса їх і сили зчеплення (тертя) дозволяють споруджувати такого роду дамби на будь-яких грунтах. Вважається, що при висоті до 30—40 м гравітаційна дамба може бути споруджена на слабкій основі (пісок, глина), а на скельній основі висота її може досягати 300 м.

По можливості пропуску води такі дамби можуть бути глухими (мал. 10.4,а), тобто що не допускають переливу води через свій гребінь, і водозливними (мал. 10.4,б). Останні виконуються з поверхневими (водозливними) або заглибленими (донними) отворами для пропуску води. Дамби руслових ГЕС складаються зазвичай з глухої і водозливної частини. Високі дамби у вузьких ущелинах часто будуються глухими. В цьому випадку скидання зайвої води здійснюється в обхід дамби по поверхневому або тунельному водоскиду. У тілі бетонних плит звичайно влаштовуються поздовжні галереї (патерни), призначені для контролю фільтрації води через тіло дамби.

Мал. 10.4. Гравітаційна дамба: а — глуха; б — водозливна.

Мал. 10.5 Арочна дамба

Арочні дамби є зведенням, обкресленим в плані у вигляді дуги, що упирається своїми кінцями в скельні береги, які і сприймають основну частину тиску води на дамбу з боку верхнього б'єфу (мал. 10.5). Висота таких дамб може досягати більше 300 м, проте бетону в ній буде менше, ніж в рівноцінній по висоті гравітаційній. Як різновид, такі дамби можуть бути одноарковими і багатоарочними, а також арочно-гравітаційними. У всіх цих випадках дамби можуть містити спеціальні водоскиди.

Контрфорсні дамби виконуються у вигляді залізобетонних ребер (контрфорсів) на які з боку верхнього б'єфу похило укладаються залізобетонні плити, що сприймають тиск води (мал. 10.6).

Мал. 10.6. Контрфорсна дамба.

1 — залізобетонна плита; 2 — контрфорси; 3 — балки жорсткості.

Контрфорси 2 зкріплюються між собою балками жорсткості 3, утворюючи по - фронту окремі прольоти. При відповідній конструкції гребеня з низового боку контрфорсні дамби можуть бути водозливними.

Земляні дамби бувають насипними і намивними. Перші утворюються шляхом відсипання у вигляді горизонтальних шарів невеликої товщини з подальшим ущільненням укочуванням або трамбуванням із зволоженням ущільнюваного грунту. Намивні земляні дамби будуються методами гідромеханізації, що зводиться до подачі розмитого в кар'єрі розрідженого грунту до місця укладання насосами по трубопроводах або самоплив по трубах або лотках.

Верховий укіс дамби для захисту від дії хвиль і льоду зміцнюється в межах зміни рівня води бетонними плитами або каменем (мал. 10.7,а).

Низовий укіс з боку нижнього б'єфу зміцнюється дерном і забезпечується в деяких випадках горизонтальним майданчиком, званою бермою, яка служить для захисту укосу від змиву грунту водою.

Якщо земляна дамба споруджується з сильно водопроникних грунтів (наприклад, крупного піску), то для зменшення фільтрації влаштовуються перешкоди у вигляді екрану 3, ядра 5, а іноді і понурення 4 (мал. 10.7,б, в). Ці перешкоди влаштовуються з маловодопроникного грунту, наприклад глини.

Для пропуску через тіло дамби фільтруючої води і затримання при цьому винесення дрібних частинок грунту на всіх земляних дамбах з боку нижнього б'єфу влаштовуються так звані дренажні п р и з м и 6.

Величина заставляння укосів m=ctg α приймається залежно від властивостей грунту і висоти дамби в межах, вказаних для прикладу на мал. 10.7,а.

Мал. 10.7. Грунтові дамби.

а — земляна дамба з маловодопроникного грунту; б — земляна дамба з екраном і понуренням: в —земляная дамба з ядром; г — земляна дамба з різних грунтів; д — кам'яно-накидна дамба:1— бетонна плита; 2 — берма; 3 — екран; 4 — понурення; 5 — ядро; 6 — дренажна призма; 7 — кам'яна лада.

Нерідкі випадки споруди земляних дамб з різних по своїх водопроникних властивостях грунтів. В цьому випадку, чим краще грунт, тим ближче з боку верхнього б'єфу він розташовується (мал. 10.7,г).

Земляні дамби мають дуже широке розповсюдження. Їх будують, як правило, глухими. Висота їх досягається 100 м і більше.

Кам'яно-накидні дамби споруджуються шляхом накидання в русло річки з деякої висоти каменя різних розмірів. У міру зростання дамби кам'яне накидання ущільнюється струменем води під тиском, а також спеціальними катками і вібраторами.

Водонепроникність таких дамб досягається шляхом пристрою екрану 3 із залізобетону з боку верхового укосу (мал. 10.7,д), що укладається на спеціальну підекранову кам'яну кладку 7.

Кам'яно-накидні дамби споруджуються глухими. Висота їх досягає 300 м.

У кам'яно-земляних дамбах велика частина їх тіла виконана з кам'яних матеріалів, а пристрій проти фільтрації — з маловодопроникненого грунту.

Мал. 10.8. Схеми поверхневих затворів.

а — плоский щит; б — шандори; в — сегментний; г —вальцовий; д —секторний.

Висота їх досягає 300 м і більш (Нурекська ГЕС).

Затвори. Для скидання можливих надлишків води у водосховищах і пропуску її в нижній б'єф в спеціальних цілях, а також для пропуску льоду, наносів і плотів дамби і інші споруди ГЕС забезпечуються відповідними затворами. Спеціальні затвори встановлюються також в турбінних трубопроводах.

Залежно від роду отворів, що перекриваються, затвори споруд ГЕС діляться на поверхневі, такі, що закривають водозливні і водоприймальні отвори, куди вода поступає з верхніх шарів водосховища, і глибинні, службові для закриття глибинних отворів, розташованих нижче за рівень води верхнього б'єфу.

З поверхневих затворів слід зазначити перш за все плоскі щити і шандори. Перші є основними затворами, другі використовуються при ремонті устаткування і споруд. Плоский затвор поміщається в пазах биків або засад і пересувається у вертикальному напрямі (мал. 10.8,а). Сприйманий ним тиск води передається бикам або засадам. Затвори зазвичай виконуються металевими. Розрізняють затвори що ковзають, колісні і каткові. Останні два виготовляються, для полегшення підйомних зусиль. Передбачаються спеціальні ущільнюючі пристрої для запобігання фільтрації води через зазори між затвором і нерухомими частинами споруд.

Шандори є дерев'яними або металевими балками, що укладаються в пазах один на одного у вигляді стінки (мал. 10.8,б). Подібні щити і шандори встановлюються також на вході в напірні трубопроводи турбін і на виході з відсисаючої труби.

Сегментні затвори являють собою зігнутий по дузі кривощит, що може обертатися навколо деякої осі, на який насаджені нігті, що підтримують полотнище затвору (мал. 10.8,в). Ноги шарнірно закріплені в биках або засадах, що сприймають тиск води. При маневруванні затвори обертаються навколо горизонтальної осі розташування шарнірів.

В порівнянні з плоским щитом сегментний затвор володіє рядом переваг при рівних розмірах і масі. Найголовніші з них наступні: значно менше підйомне зусилля; краща робота в зимових умовах (відсутність обмерзаючих коліс); менша висота биків; можливість автоматичної дії. Проте є і недоліки: необхідність більшої довжини засад; неможливість переобладнання, затвора з одного отвору в інший.

Вальцові або циліндрові затвори - порожнистий металевий циліндр, що перекриває водозливний отвір і що піднімається вгору шляхом перекочування його по зубчатих рейках, розташованих в нішах биків або засад (мал. 10.8,в). Для збільшення висоти затвора його циліндр забезпечується спеціальним нижнім, а іноді і верхнім щитками.

Вальцові затвори володіють великою жорсткістю, тому набули широкого поширення на дамбах з важкими умовами зимової служби (навалювання льоду). Затвори можуть, перекривати ролети шириною до 45—50 м і заввишки до 9 м. До недоліків їх слід віднести значну масу і вартість, а також значні розміри биків. Секторні затвори мають поперечний перетин у вигляді сектора, покритого водонепроникною обшивкою, що встановлюється зазвичай по трьох площинах (мал. 10.8,д.)

Мал. 10.9. Схеми затворів глибинних отворів і турбінних трубопроводів.

а — плоский; б — засувка; в — сегметгний; г — циліндровий; д — дисковий; е — голковий.

Під затвором в тілі дамби влаштовується ніша, в яку опускається

затвор при необхідності скидання зайвої води. Затвор обертається на осі, закріпленій в порозі дамби. Управління ним зазвичай гідравлічне. Затвори зручні для скидання льоду і плаваючих тіл з малими втратами води, можуть перекривати прольоти шириною до 60 м і заввишки до 10 м.

Водоскидні глибинні отвори дамб перекриваються глибинними затворами, які можуть бути плоскими, сегментними, циліндровими, дисковими і т.д. Перші два типи аналогічні описаним вище (мал. 10.9,а, в).

Засувки (мал. 10.9,б) мають невеликі габарити і діють від гідравлічного або електричного приводу. Конструктивно вони є литими дисками прямокутної або круглої форми, які перекривають галереї або трубопроводи. Ці диски при відкритті отвору (всовуються всередину спеціального кожуха. Засувки застосовуються в основному як робочі затвори на натиски до 400 м. Їх діаметр залежить від використовуваного натиску і може досягати декількох метрів.

Циліндрові затвори. Конструктивно затвори є порожнистими циліндрами, що переміщаються по вертикалі (мал.10.9,г). Своєю бічною поверхнею або днищем вони закривають отвори баштових водоприймачів. Із-за своєї громіздкості вони не набули помітного поширення, хоч і мають хороші експлуатаційні якості. Вони використовуються для натисків, що не перевищують 100 м.

Дискові затвори складаються з циліндрового корпусу, в якому на горизонтальній або вертикальній осі обертається диск (мал. 10.9,е). Дискові затвори надійні в експлуатації, є найбільш поширеними, виготовляються діаметром до 8,5 м і встановлюються на напірних трубопроводах при натиску до 250—300 м (при невеликих діаметрах до 600 м). Управління затвором здійснюється, як правило, за допомогою гідравлічного приводу, що приводиться в дію сервомоторами.

Перевагою затворів є хороші маневрені якості і порівняно низька вартість. Недоліком — складність створення хороших ущільнень і порівняно велика втрата натиску.

Голчаті затвори складаються з корпусу і обтічника, усередині якого переміщається плунжер (голка), що закриває і відкриває отвір в корпусі (мал. 10.9,е). Затвори мають малі втрати натиску і застосовуються при діаметрах трубопровода до 6,5 м і натисках до 800 м. Встановлюють їх головним чином з низового боку водоспуску. До недоліків відносять високу вартість, складність конструкції і виготовлення.

10.3 БУДІВЛІ ГЕС

Конструкцію і компоновку будівлі ГЕС визначають природні умови, схема концентрації натиску, натиск, тип і параметри гідроагрегатів (турбіна і генератор, сполучені загальним валом) і трансформаторів, допоміжного устаткування. Габарити будівлі визначаються розмірами агрегатних блоків, і зокрема, довжина його— кількістю агрегатних блоків і розміром монтажного майданчика. У свою чергу габарити блоку залежать від потужності (натиску і витрати води) турбіни, і ширина його визначається розміром спіральної камери. Зазвичай на гідроелектростанціях встановлюється не менше двох-трьох однакових агрегати.

Мал. 10.10. Будівля руслової ГЕС.

1 — генератор; 2 — турбіна; 3 — спіральна камера; 4 — відсмоктуюча труба; 5 — донний водоскид; 6 — вантажопідйомні крани; 7 — паз грат; 8 — паз шандор; 9 — паз затворів; 10 — мостовий кран.

Тип і конструкція будівлі повинні бути економічно і технічно всесторонньо обгрунтовані і в той же час повинні забезпечувати надійну роботу устаткування і зручні умови експлуатації, що пред'являються, в цьому плані вимоги до будівель іноді суперечать один одному. Так, наприклад, надмірна економія при будівництві знижує надійність і зручність експлуатації, особливо в частині проведення профілактичних оглядів і ремонтів, що неминуче спричиняє за собою збільшення експлуатаційних витрат.

Відповідно до схем концентрації натиску будівлі ГЕС прийнято ділити на три типи:

-будівлі руслової ГЕС, тобто будівлі, що сприймають натиск (мал. 10.10);

-будівлі пригребельної ГЕС, тобто розміщені за дамбою і не сприймаючі натиск (рис.10.11);

-будівля деривату ГЕС (мал. 10.12).

За способом скидання води з верхнього б'єфу у нижній, будівлі руслових ГЕС діляться на два типи:

1. несуміщені з водоскидами (див. мал.10.1,в), в яких скидання надлишків води з верхнього б'єфу здійснюються через водозливні отвори дамби або інші пристрої, будівлі, що знаходяться зовні ГЕС (див. мал. 10.11).

2. суміщені з водоскидами, які зазвичай розташовуються в масивній (підводній) частині будівлі (див. мал. 10.10), хоча застосовуються і інші конструктивні рішення.

За типом підйомного устаткування будівлі ГЕС будуються:

-закритими — з внутрішнім розташуванням підйомного устаткування — мостового крана (див. мал. 10.10—10.12);

-напіввідкритими — основне підйомне устаткування (портальний кран) розміщується над машинним залом (генераторне приміщення). Генераторний зал — низьке приміщення із знімними кришками над генератором (мал. 10.13,а);

Мал. 10.11. Будівля пригребельної ГЕС.

1 — машинний зал; 2 — генератор; 3 — спіральна камера; 4 — відсисаюча труба; 5 — турбінний трубопровід; 6 — водоприймач; 7 — грати; 8 — плоский (щитовий) затвор; 9 — підйомний механізм щитів; 10 — дроти на підстанцію; 11 — мостовій кран.

-відкритими — машинний зал відсутній, а генератори укриті ковпаками (мал. 10.13,б). Підйомним устаткуванням тут є також портальний кран.

По розташуванню щодо земної поверхні:

-наземне — корпус будівлі розташований на земній поверхні;

-підземне — корпус будівлі розташований нижче за земну поверхню. Такі будівлі влаштовуються при схемі деривату концентрації натиску, коли дериват виконується у вигляді тунеля.

Залежно від положення осі агрегату розрізняють будівлю з вертикальними і горизонтальними агрегатами, останні в даний час застосовуються головним чином на гідроелектростанціях з натиском 10—15 м.

Загальним елементом для всіх типів будівель ГЕС є перш за все монтажний майданчик, який розміщується зазвичай в кінці будівлі біля берега і обслуговується тими ж кранами, що і машинний зал. На рівні підлоги монтажного майданчика робиться під’їзний шлях для доставки устаткування в машинний зал.

Мал. 10.12. Будівля дериватом ГЕС з ковшовою турбіною.

1 — турбінний трубопровід: 2 — горизонтальна турбіна; 3 — відвідний канал; 4 — підвищувальний трансформатор; 5 — машинний зал.

Мал. 10.13. Будівлі ГЕС із зовнішнім розташуванням устаткування крана. Напіввідкритий (а) і відкритий (б) типи будівлі ГЕС.

1 — знімна кришка; 2 — індивідуальний ковпак; 3 — козловий кран.

Габарити майданчика визначаються умовами доставки, розкладки по ній одного гідроагрегату при його ремонті в період експлуатації. При великому числі агрегатів іноді робиться два монтажні майданчики.

У будівлі ГЕС розміщується ряд допоміжних приміщень, в числі яких: оперативно-виробничі; виробничі; адміністративно-господарські; побутові.

До оперативно-виробничих приміщень відносять приміщення електричних розподільних пристроїв генераторної напруги, власних потреб змінного і постійного струму, поста (пульта) управління і ін.

У будівлі ГЕС розміщується також велика кількість різних допоміжних пристроїв. До складу цих пристроїв входять: технічне водопостачання і пожежогасіння генераторів; осушення спіральних камер і відсисаючих труб; масляне господарство; пневматичне господарство; дренажні пристрої; контрольно-вимірювальна апаратура і т.д.

Залежно від потужності ГЕС, числа агрегатів визначається склад і площа приміщень підсобно-допоміжного призначення (ремонтно-механічні майстерні, лабораторії і різного роду служби).

У нижній частині будівлі ГЕС розміщуються: спіральні камери турбін; статори, що направляють апарати і робочі колеса турбін; відсмоктуючі труби; турбінні шахти і турбінний поверх, а також галереї різного призначення; приміщення для допоміжного устаткування; насоси для відкачування води і т.д.