Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

159

Рис. 2.53 а) разрушение дна водобойного колодца;

б) вынос потоком плит крепления дна

а)

б)

160

Длина водосброса для постоянной эксплуатации на плотине

Саяно-Шушенской ГЭС более 220 м. Учитывая это, а также опыт

эксплуатации водосбросов II яруса, на постоянных водосбросах было

выполнено по два аэратора – один на расстоянии 100 м от входа,

второй на расстоянии 180 м. Лоток перед пазом-аэратором выполнен

в виде трамплина, отклоняющего поток на 7

от образующей лотка.

Эти решения позволили обеспечить надёжную аэрацию потока и

исключить кавитационные разрушения поверхностей эксплуата-

ционных водосбросов. Положительный результат подтверждается

многолетними наблюдениями; после прохождения холостых сбросов

поверхность лотков остаётся в хорошем состоянии. За 12-летний

период через водосбросную плотину пропущено 32,6 км

воды, а

водосбросы отработали от 1390 до 3400 часов.

При пропуске половодья 1985 года при напоре 193 м, когда

суммарная мощность потока составила 8 млн. кВт (32% от макси-

мального расчётного), а скорость потока достигла 50 м/с, произошло

разрушение 80% площади дна водобойного колодца (рис. 2.53, 2.54).

На рисунке 2.54а обозначены три характерных зоны разрушения. В

зоне I были наибольшие повреждения с полным разрушением плит

крепления, бетонной подготовки под ними и скалы ниже подошвы

бетонной подготовки на глубину до 7 м. В зоне II были полностью

разрушены плиты и частично бетонная подготовка. Анкера ∅ 50 мм

в этой зоне были разорваны на 20 см выше устья скважин с ха-

рактерной формой обрыва – с образованием шейки меньшего диа-

метра, – это означает, что наступил предел текучести металла. В зоне

III поверхность плит на значительной площади была разрушена до

арматурных сеток, часть плит в плане и по высоте были смещены, а

некоторые были выброшены потоком (рис. 2.53б).

Такому, значительному по масштабам, разрушению колодца

предшествовало частичное повреждение его дна, которое было

обнаружено после пропуска половодья 1981 г. (контуром обозначено

на рис. 2.54а). Глубина повреждений была от 0,6 до 2,5 м. Причиной

этого была названа лишь кавитационная эрозия, которая безусловно

имела место. Хорошо известно, что при скоростях воды 40 м/с и более

бетон как материал, даже при очень высокой прочности и идеальной

поверхности, противостоять потоку не может. Как видно из табли-

цы 33, строительные расходы были сравнительно невелики, расходы

пропускались при напоре 100-170 м, и скорость воды в колодце не

превышала 40 м/с. На самом деле имела место совокупность воз-

действий. Кавитационная эрозия в данном случае явилась следст-

вием, которому предшествовали местные разрушения поверхности

бетона перемещающимися по ней механизмами, а затем и обло-

мочными материалами, попадавшими в колодец в течение 7 лет

строительства (1975-81 гг.). Необходимо заметить, что глубина раз-

рушений превышала глубину заложения межплитных шпонок, т.е.

161

Рис. 2.54а Контуры разрушений водобойного колодца

после половодья 1985 г.

I – зона наибольших разрушений с заглублениями в скалу; II – разрушены плиты и частично

бетонная подготовка; III – плиты разрушены до арматурных сеток

произошла разгерметизация швов. Ремонт повреждённых участков

был выполнен путём заделки их бетоном. При этом следует под-

черкнуть, что проектной организацией никаких требований по гер-

метизации швов между ремонтируемыми плитами сформулировано

не было. Отремонтированные участки выдержали пропуск половодий

и строительных расходов 1982, 1983 и 1984 гг. при напоре до 175 м

без повреждений. Часть специалистов, в основном проектной и

отраслевой научно-исследовательской организаций, утверждают, что

причиной глобального разрушения водобойного колодца в 1985 году

явились плохо отремонтированные в 1981 г. участки его дна. На

самом же деле разрушение дна колодца является ярким свиде-

тельством инженерных просчётов. До определённого уровня гидро-

динамических воздействий отремонтированные участки, не имея

герметизации межплитных швов, работали достаточно устойчиво в

течение трёх лет при напоре до 175 м, а потеря устойчивости креп-

ления дна колодца наступила лишь при увеличении гидродина-

мических сил (напор достиг 193 м), превышающих технические

возможности конструкции. Однако, идея недостаточного качества

выполнения работ, объясняющая причину разрушения колодца, про-

должает существовать. Как уже указывалось выше, идеальную

162

степень герметизации и отсутствие “шероховатости” поверхности

крепления дна колодца при существующих технологиях бетонных

работ и их механизации возможно было обеспечить лишь на уровне

маломасштабных лабораторных работ.

Расчёты показали, что высокоскоростной поток, попадая под

плиту (сцепление которой с бетонной подготовкой не предусмат-

ривалось, а следовательно, там образовался шов), оторвёт её при

наличии перепада давления на плите около 0,2 МПа. Выше была

приведена величина статической составляющей давления 1,5 МПа,

а по лабораторным исследованиям гидродинамическая составля-

ющая давления в начале колодца может достигать 0,35 МПа.

Рис. 2.54б Зоны реконструкции водобойного колодца I очереди

после разрушения в 1985 г.

163

Схемы пропуска строительных расходов, кроме как через во-

добойный колодец, не существовало. Поэтому ремонтные работы в

колодце могли проводиться только в зимний сезон, когда сток реки

мог быть пропущен через работающие гидроагрегаты. Зимнего сезона

по технологическим причинам было недостаточно для выполнения

большого объёма ремонтных работ. Наряду с этим, необходимо было

разработать проект ремонтных работ, а для его составления недос-

тавало ещё и знания процессов, происходящих в колодце. Необходи-

мость получения дополнительной информации потребовала про-

ведения натурных исследований и визуальных наблюдений, на все

это нужно было достаточно много времени. Работы по ремонту

колодца проводились в три очереди, которые, по указанным выше

причинам, не в полной мере укладывались в намечаемые к поло-

водью сроки. Поэтому половодья 1986-1988 гг. пропускались через

недостроенный колодец. Перед пропуском весенне-летне-осенних

строительных расходов были выполнены работы I очереди по

креплению дна водобойного колодца, которые сводились к тому, что

были уложены блоки (столбы) лишь по периметру колодца с укре-

пительной цементацией под ними и установкой анкеров для связи

блоков с основанием ∅ 50 мм с шагом 2 м. Вся центральная часть

колодца представляла собой скальный массив с местными углуб-

лениями (рис. 2.54б).

Рис. 2.55а План водобойного колодца с установкой приборов

при испытаниях водобойного колодца в 1986 г.

– плиты сохранившиеся; – плиты восстановленной части крепления;

– незакрепленная часть колодца (со скальным отвалом)

164

Исследования 1986 г. имели принципиальное значение для

обоснования конструкции крепления в виде столбов с существенно

меньшим размером в плане 7,5х6,25 м и открытыми (неуплотнен-

ными) межстолбчатыми швами. Предполагалось, что при небольших

плановых размерах блоков будет обеспечено сцепление бетона блоков

со скальным основанием по всей площади блока, а наличие откры-

тых проницаемых швов будет способствовать локализации каких-

либо местных повреждений крепления [70].

В таблице 35 показаны режимы сброса воды через водобойный

колодец при испытаниях 1986 г. при УВБ 520,1-520,75, с попуском

через ГЭС 1700-1860 м

/с; высота водобойной стенки была ниже

проектной на 3 м.

Таблица 35. Основные гидравлические режимы испытаний

водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС

При испытаниях водобойного колодца в 1986 г. производились

измерения осредненного пьезометрического давления в основании

под плитами и раскрытия межстолбчатых швов и швов “скала –

бетон” по приборам, показанным на рисунке 2.55а (результаты

испытаний представлены на рисунке 2.55б); пульсации давления

(стандарты

) на поверхности столбов и в межстолбчатых швах,

вибрации столбов и скального основания, напряжений на контакте

(изображены на рисунке 2.56); также контролировалась эрозия на

поверхности столбов.

Испытания с полным открытием водосбросов показали, что

столбы-блоки, уложенные по проекту I очереди с открытыми швами,

воспринимают значительные горизонтальные гидродинамические

нагрузки, которые вызывают раскачку блоков и нарушают их кон-

такт со скалой.

)

Ряд специалистов ввели понятие стандартов колебаний, что представляет собой среднеквадратическое

значение амплитуды нестационарных колебаний, характеризующее, в частности, интенсивность процесса

колебаний на выбранном временном интервале.

№ водосбросов и их

сочетание

Открытие

водосбросов,

Общий расход

водосбросов,

/с

Продолжитель-

ность работы

водосбросов,

час.

Обозначение

режима

39+44+47 35 830 41 IIа

39+44+47 72 1770 8 IIб

39+44+47 100 2880 7 IIв

39+40+43+44+47 35 1400 49 IIIа

39+40+43+44+47 72 2900 10 IIIб

39+40+43+44+47 100 4880 8 IIIв

165

Рис

. 2.55

Изменение

давления

под

плитами

раскрытие

швов

при

испытаниях

водобойного

колодца

1986

166

Максимальное раскрытие межстолбчатого шва от суммарного

гидродинамического воздействия по одному из щелемеров состави-

ло 1100 мкм, вертикальные колебания столбов-блоков составляли

80-90 мкм (табл. 36).

Таблица 36. Показания щелемеров на контакте “скала – бетон” одного из

блоков А-8 и пьезометра при испытаниях водобойного колодца в 1986 г.

в различных гидравлических режимах

После потери сцепления блоков со скалой гарантировать, что

анкерное крепление сохранится, было нельзя. При обрыве анкеров

произойдет потеря устойчивости блока и полное его взвешивание.

Потеря сцепления блоков в некоторых случаях происходила

ещё в период ремонтных работ до воздействия гидродинамической

нагрузки в результате температурных деформаций.

Натурные наблюдения 1986 г. подтвердили, что конструкция

крепления с открытыми межстолбчатыми швами ненадёжна. Ис-

пользование в расчётах сцепления блоков со скалой также принять

было нельзя. Одновременно с этим нельзя было не отметить факта,

что при пропуске половодья 1986 г. новое крепление дна столбами,

выполненное лишь частично по краям ямы размыва, устояло, хотя

столбы были сцеплены между собой только штрабами. Это привело

к выводу, что яма размыва обеспечивала гидродинамическую раз-

грузку возведенных столбов крепления, несмотря на мощное воздей-

ствие на них потока, поскольку столбы представляли собой большое

гидравлическое сопротивление. Иначе говоря, если бы в данной кон-

струкции дна колодца было возможно выполнить под ним дренаж

для мгновенной разгрузки контакта “скала – бетон” от давления, то

это было бы радикальным решением проблемы. Это можно было

осуществить лишь в самом начале строительства колодца.

Проектные и научно-исследовательские организации, решая

проблему ремонта колодца, продолжали поиск путей снижения гид-

родинамического воздействия потока на его дно (А. И. Ефименко).

Режим и дата испытаний

Показание

щелемера Щ-3,

мкм

Показание

щелемера Щ-4,

мкм

Показание

пьезометра П-3,

т/м

Затопление колодца

ступенями 5.08.86 г.

0,00 0,01 3,15

Режим IIб 7.08.86 г. 90,0 60,0 20,6

Режим IIв 8.08.86 г. 90,0 70,0 20,2

Режим IIIа 10.08.86 г. 80,0 70,0 21,32

Режим IIIа 11.08.86 г. 90,0 70,0 21,09

167

Концепция повышения требований к монолитности межблочных

швов, стремление к их идеальной герметизации – это вновь было

выделено некоторыми специалистами как главный фактор в обес-

печении надёжности колодца.

Вторая очередь ремонтных работ 1986-1988 гг. включала

укладку бетона столбами в центральную часть колодца, а также слоя

бетона по периферии высотой 1,5 м на старые плиты вдоль раздель-

ного устоя и водобойной стенки (рис. 2.55в). Водобойная стенка была

достроена до проектной высоты. Омоноличивание (герметизация)

предусматривалась путём цементации межстолбчатых швов, которая

к пропуску половодья была выполнена только частично.

Рис. 2.55в План бетонных работ в водобойном колодце,

выполненных в три очереди

В период пропуска половодья 1988 года были проведены

натурные исследования водобойного колодца с целью получения

данных для оценок вибрации блоков, вновь выполненного крепления

дна II очереди, а также состояния контакта блоков со скальным

основанием и друг с другом, с тем чтобы иметь возможность окон-

чательно откорректировать проект реконструкции колодца, исходя

из реальных условий.

168

Рис. 2.56 Гидродинамическое воздействие на плиты и контакт плит

с основанием при испытаниях водобойного колодца в 1986 г.:

а) изменение стандартов пульсации давления по глубине межплитных швов;

б) амплитуда горизонтальных виброперемещений верхней грани плиты при

единичном пульсационном воздействии на входе в шов (Р

=1Т/м

), H

=5 м;

в) амплитуда напряжений на контакте (σ

) при единичном пульсационном

воздействии на входе в шов (Р

=1Т/м

), L

=6,25 м