Книга адресована специалистам-гидроэнергетикам, персоналу гаэс, проектировщикам, преподавателям и студентам гидроэнергетических специальностей. Может быть полезна также специалистамэнергетикам

Рис. 12.3. Насосотурбинный трубопровод деривационной ГАЭС:
1 – водоприемник; 2 – железобетонный напорный трубопровод в теле дамбы;
3 – стальной открытый трубопровод; 4 – температурно-осадочный компенсатор; 5 – здание ГАЭС; 6 – анкерная опора; 7 – промежуточная опора
вода и незначительных колебаниях температуры. Такая схема характерна для засыпанных трубопроводов.
Разрезные схемы (рис. 12.4, б) применяются для открытых трубопроводов при больших колебаниях температуры воздуха или при значительных просадках грунта. Труба на участке между анкерными опорами разрезается, устанавливается компенсатор, который позволяет перемещаться одной части трубы относительно другой. При этом снимаются напряжения в оболочке, вызванные температурными или осадочными деформациями. Иногда количество таких разрезов и, соответственно, температурных компенсаторов, может быть значительно больше двух. Например, напорный трубопровод Загорской ГАЭС разрезан и состоит из 19 секций, между которыми смонтированы компенсаторы (рис. 12.5). Поскольку напорный трубопровод Загорской ГАЭС проектировался с учетом возможной унификации и применения на других ГАЭС, проектируемых для Европейской части России, имеет смысл в ретроспективном порядке показать проектное обоснование выбора примененной конструкции.
С учетом инженерно-геологической обстановки и общих компоновочных решений по объекту для Загорской ГАЭС принят вариант открытого расположения напорных трубопроводов; дальнейший анализ и сравнение различных конструктивных решений производились исходя из этого условия.

Рис. 12.4. Статические схемы напорных трубопроводов: а – неразрезная; б – разрезная:
1 – анкерная опора; 2 – промежуточная опора; 3 – температурный компенсатор

Рис. 12.5. Продольный профиль по оси напорного трубопровода Загорской ГАЭС
Сравнительный анализ, прежде всего с точки зрения надежности, проводился для двух принципиально различных конструкций напорных трубопроводов – металлических, с одной стороны, железобетонных и сталежелезобетонных – с другой.
Металл среди других строительных материалов отличается высокой однородностью и стабильностью механических свойств, а также высокой технологичностью при производстве монтажных и строительных работ. В то же время появление трещин в металлическом трубопроводе приводит к его лавинообразному разрушению под нагрузкой, так как в конструкции металлического трубопровода отсутствуют элементы, сдерживающие развитие трещин. Поэтому практика и нормы гидротехнического строительства предусматривают необходимость принятия специальных мер по защите здания станции от последствия разрывов трубопровода. Для реальных ГАЭС с агрегатами большой единичной мощности при диаметрах трубопроводов 5–8 м и напором 100 и более метров в случае разрыва трубопровода за время, необходимое для закрытия аварийно-ремонтного затвора, расход может возрасти до 2000 м³/с. В этой ситуации защитные сооружения, предотвращающие катастрофические последствия, оказываются очень дорогими и сложными.
Для Загорской, как и других проектируемых ГАЭС Европейской части России, на которых напорные трубопроводы располагаются на склонах из нескальных грунтов, подверженных под действием вод- ного потока интенсивным размывам и к тому же склонных к оползням, при выборе конструкции трубопроводов решающим фактором является надежность даже в ущерб экономическим и технологическим соображениям. Поэтому, несмотря на некоторые преимущества металлических трубопроводов в изготовлении и монтаже, предпочтение при проектировании трубопроводов Загорской ГАЭС отдано сталежелезобетонной конструкции.
Полученные экспериментально-теоретические данные позволили институту «Гидропроект» совместно с другими организациями разработать методику расчета и проектирования напорных сталежелезобетонных гидротехнических сооружений, в которой учитывается одновременная совместная работа внутренней стальной оболочки и арматуры железобетонной части в предельном состоянии. Одним из первых крупных объектов, при расчете которого была применена разработанная методика, оказалась Загорская ГАЭС и ее напорные трубопроводы. Сталежелезобетонные трубопроводы Загорской ГАЭС имеют внутренний диаметр 7,5 м, расчетный напор – 130 м (с учетом коэффициентов перегрузки). Нитки трубопроводов состоят из 19 секций: верхней и нижней компенсаторных и 17 промежуточных, каждая из которых опирается на рандбалки. Наклон оси трубопровода – до 10°.
Несмотря на некоторое усложнение технологии изготовления и монтажа, трубопроводы сталежелезобетонной конструкции кроме повышенной надежности в сравнении с металлическими обладают еще целым рядом существенных преимуществ: меньший расход металла, в том числе дефицитного листового
проката; большая тепловая инерция защитной железобетонной оболоч-
ки. Дело в том, что в связи с реверсивным характером работы ГАЭС и относительно небольшой емкостью водохранилищ температура воды в водохранилищах в зимний период снижается до +(0,1–0,3) °С против +3–5 °С в водохранилищах ГЭС. Наличие переохлажденной воды вызывает опасность льдообразования в трубопроводах в период остановки ГАЭС. В соответствии с проведенными ледотермическими расчетами в условиях Загорской ГАЭС при ежедневной остановке гидроагрегатов продолжительностью 9 ч в металлическом трубопроводе вероятно образование льда толщиной до 3 см. В связи с большими размерами трубопровода в этом случае имеется опасность отрыва значительной массы льда с последующей закупоркой спиральной камеры и остановкой агрегата. При наличии железобетонной оболочки опасность льдообразования на стальной облицовке трубопровода практически исключается; преимуществом сталежелезобетонной конструкции напорного трубопровода является защита металлической облицовки от атмо- сферных воздействий железобетонной оболочкой, что позволяет отказаться от антикоррозийных покрытий внешней поверхности облицовки.
Таким образом, железобетон в сталежелезобетонных конструкциях напорных трубопроводов выполняет следующие основные функции:
передача внутреннего давления со стальной облицовки на арматуру;
обеспечение жесткости конструкции; антикоррозийная защита металлической облицовки; обеспечение тепловой инерции и предотвращение льдообразо-
вания на внутренних стенках трубопровода.
На следующем этапе при обосновании конкретной конструкции сталежелезобетонного трубопровода рассматривались также два варианта: сборный и монолитный. По ряду причин предпочтение отдано сборной конструкции. Каждая секция трубопровода состоит из отдельных звеньев, конструкция которых выбрана с оптимальными размерами, обеспечивающими технологию подачи и уплотнения бетона при их изготовлении, а также с учетом возможностей грузоподъемного оборудования, применяемого на полигоне изготовления и монтажа элементов. Каждое звено имеет внутренний диаметр 7,5 м, толщину железобетонной стенки 400 мм, длину 4,41 м, массу 140 т.
При выборе конструкции фундамента трубопровода сравнивались два конкурентоспособных варианта: свайный ростверк и фундаментная плита-лоток под всем трубопроводом.
Исследования показали, что протяженные фундаментные плиты на грунтовом откосе при многоцикловых температурных воздействиях не обладают устойчивостью на сдвиг. Кроме того, условия производства работ на склоне со сложной гидрогеологической обстановкой не могут обеспечить надежную подготовку основания под подошвой малозаглубленных фундаментов.
На основе результатов исследований в проекте принята конструкция фундамента из одиночных буронабивных свай диаметром 100 см, объединенных ростверком в направлении склона. Глубина свай в зависимости от геологических условий составляет 16–22 м. Определяющим требованием при расчете размеров свай явилось ограничение их деформаций под давлением расчетной вертикальной нагрузки. Для одиночной сваи величина деформации ограничивалась величиной 0,5–1 см при условии кратковременного загружения и 2–3 см для условий длительной эксплуатации.
Железобетонный ростверк вдоль потока вместе с трубопроводом разрезан на секции длиной 40 м, что позволило снизить расчетные осевые деформации для межсекционных компенсаторов до 2,5 см. В целях сведения к минимуму относительных осадок в зоне межсекционного шва примыкающие к нему опоры рандбалок усилены поперечным ростверком со сваями. Каждая компенсаторная секция возведена на фундаменте с восемью сваями, каждая промежуточная – с десятью. Общее количество буронабивных свай диаметром 1 м и длиной от 16 до 22 м –1116.
Для обеспечения совместной работы кольцевые элементы трубопровода привариваются к закладным в рандбалках, облицовка элементов сваривается, а швы цементируются.
Аналогичная конструкция напорных трубопроводов применена на Круонисской ГАЭС в Литве.
Как показал анализ результатов нормальной 20-летней эксплуатации напорных трубопроводов Загорской ГАЭС, принятая конструкция не свободна от серьезных недостатков.

1. 
   Большой общий вес и, следовательно, большая нагрузка на склон не гарантируют от недопустимых просадок. Например, на трубопроводе № 1 просадка в районе 7-й секции привела к смыканию шва температурного компенсатора. Технология восстановления проектного положения секций является довольно сложной и дорогостоящей.
   
2. 
   Железобетонная оболочка выполняет роль антикоррозийной защиты внутренней металлической облицовки. Однако сам бетон оказался не защищен от атмосферных воздействий, он покрывается сетью поверхностных трещин, которые имеют тенденцию к развитию. Устройство поверхностной защиты железобетона в процессе эксплуатации является очень трудоемким и дорогостоящим мероприятием.
   
3. 
   Линейные температурные компенсаторы, устанавливаемые в местах разрезки трубопроводов, изготовлены из листовой резины. Гарантийный срок службы резины – 8 лет при условии, что до монтажа резина не подвергалась длительному хранению. Поэтому на станции имеется аварийный резерв не более чем на 1–2 компенсатора. В связи с высокой трудоемкостью восстановительного ремонта и замены дефектных резиновых компенсаторов при производстве капитальных ремонтов гидроагрегатов (1 раз в 4 года) на соответствующем трубопроводе заменяется не более двух компенсаторов, имеющих ярко выраженные дефекты. Таким образом, количество линейных компенсаторов, резина которых находится за пределами гарантийного срока службы, возрастает и соответственно повышается вероятность их массового аварийного выхода из строя.
   

Учитывая недостатки, выявленные при эксплуатации сталежелезобетонных напорных трубопроводов на Загорской ГАЭС, при проектировании Загорской ГАЭС-2 рассматривалось несколько вариантов конструкций трубопроводов: открытые металлические; подземные с вертикальной шахтой в зоне водоприемника и горизонтальной (или с малым уклоном) частью до спиральных камер насосотурбин; сборные железобетонные, аналогичные Загорской ГАЭС-1; монолитные железобетонные.
В результате технико-экномического сравнения вариантов принято проектное решение о строительстве открытых монолитных трубопроводов с применением литого железобетона.

Ч а с т ь III оСноВное