РАЗДЕЛ V
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ, ГОРОДСКИЕ И СУДОХОДНЫЕ ТОННЕЛИ
Глава 39 ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТОННЕЛИ
§ 153. КОМПЛЕКС ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Использование водных ресурсов горных районов позволяет получить самую дешевую электрическую энергию. Эффективность гидротехнического строительства в таких районах значительно увеличивается, когда вода к турбинам электростанции подводится не по каналам и лоткам, а при помощи тоннелей. Эти искусственные сооружения позволяют подвести воду кратчайшим путем со значительно большими напорами.
Отвод воды из водоема или водотока для технических целей принято называть деривацией. Поэтому тоннели ГЭС, подводящие воду, называют деривационными.
В систему сооружений гидроэнергоузла деривационного типа (рис. 558) входят: головной узел 1, подводящий водовод 2, уравнительная шахта 3, турбинный водовод 4, машинное здание 5 и отводящий водовод 6.
Расположение машинных помещений ГЭС в подземных выработках обходится дороже, чем строительство наземных машинных зданий, но освобождает от трудностей, связанных с нахождением в сложном горном рельефе площадки для станций, и значительно сокращает длину деривации, а также связанные с нею гидравлические потери напора. В конечном счете подземное расположение машинного помещения ГЭС во многих случаях оказывается экономически более выгодным, чем наземное. Этим и объясняется их широкое распространение в последние десятилетия.
В зависимости от места, занимаемого машинным зданием в системе гидроузла, различают головную, промежуточную и концевую схемы компоновки, которые в свою очередь зависят от геологических условий.
При расположении машинного здания вблизи водохранилища схему называют головной. В этом случае длина подводящего тоннеля предельно сокращается, а отводящего — удлиняется. Когда машинное здание расположено в средней части участка деривации, схема носит название промежуточной (см. рис. 558). В концевой схеме машинное здание располагается в конце деривации. Эту схему используют при стремлении расположить здание ГЭС ближе к поверхности.
Головной узел состоит из устройств, обеспечивающих нормальную работу водозабора и примыкающего к нему подводящего водовода при различных режимах.
Подводящие тоннели служат для подвода воды к турбинным водоводам. При значительных колебаниях уровня водохранилища и глубинном водозаборе их устраивают напорными, работающими полным сечением с пропуском воды, находящейся под избыточным давлением до 6—7 кгс/см2.
К безнапорным относят водоводы, работающие неполным сечением. Их применяют при достаточном постоянстве уровня водохранилища, позволяющем осуществить забор воды из верхних слоев.
На выбор типа подводящего тоннеля, кроме отмеченных выше факторов, оказывают влияние рельеф местности и инженерно-геологические условия. Так, если условия рельефа позволяют устроить в конце тоннеля выравнивающий бассейн, применение безнапорного тоннеля будет экономически выгоднее, чем напорного, так как при этом отпадает необходимость в устройстве уравнительной башни.
Если по условиям работы тоннель может быть принят как напорным, так и безнапорным, то его тип нужно выбирать на основе технико-экономического сравнения вариантов.
При выборе высоты расположения напорного подводящего тоннеля необходимо предусмотреть сохранение в нем достаточного напора при всех невыгодных сочетаниях расчетных условий так, чтобы на всем протяжении тоннеля над шелыгой свода оставался запас давления не менее 2 м для тоннелей I и II классов и 1,5 м для тоннелей III и IV классов (см. СН 238-63).
В конце подводящего тоннеля, вблизи места соединения с турбинным водоводом, располагают уравнительную башню (ствол шахты) или напорный бассейн открытого типа. Уравнительная башня предназначена для смягчения гидравлических ударов в напорном тоннеле при изменении режима работы турбин. В случае безнапорной деривации бассейн обеспечивает удобство сопряжения с напорным турбинным водоводом.
Турбинный напорный водовод, называемый еще шахтным, бывает вертикальным или наклонным и служит для создания основного перепада воды, обеспечивающего использование ее кинетической энергии для работы электростанции.
Машинное здание размещают в большой камере, размеры которой по высоте и пролету достигают нескольких десятков, а по длине — нескольких сотен метров. Для успешного строительства таких камер необходимо их расположение в благоприятных геологических условиях. В крепких скальных породах конструкция обделки машинного здания может быть выполнена легкой и в ряде случаев имеет чисто облицовочный характер.
В машинном здании размещают турбины, электрическое оборудование, а также подъемные краны для монтажных, демонтажных и ремонтных работ.
Машинные помещения сообщаются с поверхностью посредством специальных транспортных тоннелей или стволов шахт, размеры которых определяются габаритами неразборных узлов машин и механизмов, устанавливаемых в машинном здании.
В этих же тоннелях или шахтных стволах размещают различные коммуникации, необходимые для нормальной эксплуатации ГЭС.
Отводящие тоннели пропускают воду, отдавшую свою энергию, в русло водотока или в водоем и обычно являются безнапорными, так как для максимального использования разности уровней воды отметку расположения здания ГЭС принимают возможно более низкой.
Кроме перечисленных подземных сооружений, в ряде случаев строят соединительные тоннели, объединяющие водные ресурсы соседних водоемов. Вспомогательное значение имеют сбросные тоннели, по которым спускается из водохранилища избыток воды. В период сооружения плотины ГЭС возникает необходимость во временном отводе воды из русла реки. Для этой цели устраивают специальные строительные тоннели.
В зависимости от назначенного режима работы соединительные, сбросные и строительные тоннели также могут быть как напорными, так и безнапорными.
Трассу деривационных тоннелей стремятся проектировать прямолинейной, чтобы уменьшить их длину, улучшить условия проходки и сократить потери напора при эксплуатации.
Непрямолинейную трассу можно принимать лишь в тех случаях, когда это вызывается требованиями компоновки гидроузла или необходимостью открытия дополнительных забоев для проходки длинных тоннелей, а также при обходе в горном массиве участков с неблагоприятными геологическими условиями. При этом углы поворота не должны превышать 60°. Минимальный радиус поворота ограничивается пятикратной шириной тоннеля в свету. Прямолинейные участки тоннеля сопрягаются с криволинейными посредством переходных кривых, улучшающих гидравлические условия потока.
Предельные уклоны деривационных тоннелей принимают минимальными, обеспечивающими проектный режим работы. Это делается для сохранения наибольшей разницы отметок турбинного водовода и получения максимального напора у турбин.
Проектирование гидротехнических тоннелей ведут в соответствии с указаниями СН 238-63.