Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
6.1.2. Инженерные изыскания Важной составной частью проектирования гидроузла являются инже- нерные изыскания. Инженерные изыскания должны обеспечивать комплекс- ное изучение природных условий района строительства, местных строитель- ных материалов с целью получения данных необходимых для разработки экономически и технически обоснованных проектов с учетом рационального использования и охраны окружающей среды. В состав инженерных изысканий входят: – инженерно-геодезические изыскания; – инженерно-геологические и сейсмологические изыскания; – инженерно-гидрометеорологические изыскания. Основу инженерно-геодезических изысканий составляет топографи- ческая съемка местности и составление топографических карт. В состав ин- женерно-геодезических изысканий входят также геодезические работы для изучения опасных геологических процессов: наблюдения за оползнями, кар- стом, наземная фототопографическая съемка размыва (переработки) берегов рек, озер, водохранилищ. Основу инженерно-геологических и сейсмологических изысканий составляют: – проходка горных выработок (канав, шурфов, скважин, шахт, штолен) для установления условий залегания грунтов и распространения грунтовых вод, отбора образцов грунтов для определения их состава и свойств, проведения полевых исследований грунтов; – полевые исследования грунтов с целью определения их грануло- метрического состава и физико-механических характеристик; – геофизические исследования с целью определения геологическо- го строения вмещающего массива основания гидроузла, состава, состояния и 107 свойств грунтов основания, сейсмического микрорайонирования территории строительства; – гидрогеологические исследования, включающие установление химического состава грунтовых вод, их агрессивность, определение фильт- рационных свойств грунтов. В состав инженерно-гидрометеорологических изысканий входят: – анализ климатических условий и определение метеорологиче- ских характеристик района гидроузла; – изучение гидрологического режима водотока. 6.2. Выбор типов и размеров сооружений гидроэлектростанций Типы и размеры сооружений назначаются из условий обеспечения их устойчивости, механической и фильтрационной прочности при действии на систему «сооружение – основание» всевозможных нагрузок и воздействий. 6.2.1. Предельные состояния гидротехнических сооружений После того, как разработана схема регулирования стока с целью выра- ботки электрической энергии и удовлетворения нужд других водопользова- телей и водопотребителей, обоснована экономическая целесообразность и экологическая безопасность строительства, выбирается тип конструкции гидротехнического сооружения и его основные размеры. Размеры назнача- ются, исходя из инженерных расчётов устойчивости, механической и фильт- рационной прочности сооружения, а также пропускной способности водо- сбросных и водопропускных сооружений. Устойчивость сооружения – свойство находиться в равновесии под действием приложенных сил (не сдвигаться и не опрокидываться). Механи- ческая прочность материала конструкции и её основания – свойство сопро- тивляться разрушению (нарушению сплошности). Фильтрационная проч- ность – свойство материалов сооружения и основания сопротивляться выно- су и деградации под воздействием фильтрующейся через них воды. Предельными называют состояния сооружений, при которых они те- ряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые повреждения. Задача инженерных расчётов – вы- брать такие конструкции и размеры, чтобы не допустить наступления пре- 108 дельных состояний под воздействием нагрузок, регламентированных норма- ми для сооружений соответствующего класса. 6.2.2. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения Гидротехнические сооружения в процессе их строительства и эксплуа- тации испытывают меняющиеся во времени различные по природе и про- должительности действия нагрузки и воздействия. Нагрузки на ГТС подразделяются на постоянные и временные (дли- тельные, кратковременные и особые). К постоянным нагрузкам относят: – собственный вес сооружений, а также вес основного технологи- ческого оборудования (затворов, гидроагрегатов, трансформаторов); – давление воды на поверхности сооружений со стороны верхнего и нижнего бьефов; – силовое воздействие воды, фильтрующейся через сооружение и его основание (противодавление); К временным длительным нагрузкам относят: – температурные воздействия в периоды строительства и эксплуа- тации, характерные для года со средними климатическими условиями; – нагрузки от транспортных средств. К кратковременным нагрузкам относят: – давление волн и льда; – снеговые и ветровые нагрузки; – нагрузки от кранов, судов, плавающих тел. К особым нагрузкам относят: – гидростатическое давление, соответствующее форсированному УВБ; – температурные воздействия для года с экстремальными климатиче- скими условиями; – сейсмические воздействия; – динамические воздействия от промышленных взрывов. Основные сочетания нагрузок соответствуют средним по водности и температуре воздуха условиям. Особые сочетания относятся к экстремаль- ным условиям. Полный перечень нагрузок основного и особых сочетаний на- грузок, а также способы определения нагрузок приведены в нормах проекти- рования. 109 6.2.3. Устойчивость гидротехнических сооружений На описательном уровне проверка устойчивости заключается в сле- дующем: – внешние силы (как активные, так и реактивные), действующие на со- оружение, делятся на две группы – сдвигающие (опрокидывающие) и удер- живающие; – для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы равнодействую- щая сдвигающих (опрокидывающих) сил была меньше максимально возмож- ных удерживающих. На рис. 6.1 изображено вертикальное сечение АВСD подпорного со- оружения близкого по своей форме к бетонной гравитационной плотине (треугольный профиль с уклоном низовой грани m = b/Hв) и основные силы, действующие на него приняты в предположении, что сооружение водоне- проницаемо. Будем считать, что форма сечения и нагрузка на сооружение в направлении перпендикулярном чертежу (вдоль оси z) не меняется. Тогда можно рассматривать фрагмент сооружения, имеющий в направлении z раз- мер 1 м. Устойчивость фрагмента АВСD против плоского сдвига по горизон- тальной плоскости АВ. Рис. 6.1. Нагрузки на гравитационную плотину Вычислим равнодействующие сил, приложенных к рассматриваемому фрагменту: 110 вес фрагмента G = γ б bHв/2; гидростатическое давление верхнего бьефа Wв = γ в Нв2/2; гидростатическое давление нижнего бьефа: – горизонтальная составляющая Wн = γ в Нн2/2; – вертикальная составляющая Gн = γ в mНн2/2; гидростатическое давление на подошву: – взвешивающая составляющая Wвзв = γ в bНн ; – фильтрационная cоставляющая Wф = γ в b(Нв–Нн)/2 = γ в m Нв (Нв–Нн)/2, Таким образом, равнодействующая горизонтальных сил Px, приложен- ных к фрагменту ABCD: Px = γ в (Нв2 – Нн2 )/2. (6.1) Равнодействующая вертикальных сил Py, действующих на фрагмент ABCD: Py = γ б m γ Hв2/2 – γ в m Hв Hн – γ в Нв(Нв – Нн )/2 (6.2) Силовое воздействие воды на плотину и ее основание имеет сложную физическую природу. Здесь принята простейшая модель. Считается, что тело плотины водонепроницаемо, и гидростатическое давление к плотине прило- жено как поверхностная нагрузка. Интенсивность этой нагрузки h известна в характерных точках внешнего контура плотины: в точке D имеем h = 0, в точке А – h = Нв, в точке В – h = Нн. Между характерными точками принято, что h меняется по линейному закону (что строго выполняется по линии АD и весьма приближенно по линии АВ). Упростим дальнейшие выкладки, приняв, что в нижнем бьефе воды нет (или пренебрежимо мало), то есть Нн= 0 и учтя, что γ в = 1 т/м3; γ б = 2,4 т/м3. Тогда зависимости (6.1), (6.2) упростятся, и равнодействующая всех горизонтальных сил, сдвигающих фрагмент АВСD по горизонтальной плос- кости АВ, будет только равнодействующая давления воды со стороны верх- него бьефа: 111 Рх = Wв = Нв2/2, (6.3) Py – равнодействующая всех вертикальных сил, приложенных к фраг- менту, есть разность сил веса плотины и противодавления на подошву плотины: Py = G - Wф = 2,4m Нв2/2 - m Нв2/2 = 1,4 m Нв2 Устойчивость фрагмента АВСD против плоского сдвига будет обеспе- чена, если сдвигающая сила F будет меньше или равна максимальной удер- живающей силе R = Ртр. В рассматриваемом примере сдвигающей силой F, входящей в нера- венство (6.3), является горизонтальная сила Рх, а максимальной удерживаю- щей силой R (несущей способностью основания на сдвиг) – максимальная сила сухого трения равная вертикальной силе Py, умноженной на коэффици- ент трения: F = Нв2/2, R = 1,4 m (Нв2/2) f, (6.4) где f – предельный коэффициент сухого трения бетона по скале. Зависимость (6.4) позволяет определить такой важный размер плотины, как уклон ее низовой грани m в зависимости от класса сооружения и несущей способности грунта на сдвиг (коэффициента трения f). Примем f = 1 и коэф- фициент надежности по ответственности сооружения равный 1,15. Подстав- ляя эти значения в (6.4), получим: m ≥ 1,15 / (1,4 ∙ 1,0) 112 или m ≥ 0,82. Таким образом, в рассматриваемом примере, чтобы обеспечить устой- чивость плотины на сдвиг с запасом 1,15, уклон низовой грани плотины (тан- генс угла между линией низовой грани и линией горизонта) должен быть не менее 0,82. При проектировании реальных сооружений расчеты на устойчивость более сложны, так как более точно учитываются форма конструкции, нагруз- ки и воздействия, свойства материалов и проверка на сдвиг производится не только по плоскости АВ, но и по всем возможным поверхностям сдвига. На- пример, при проектировании учитывается, что на контакте сооружения с ос- нованием имеют место не только касательные силы сухого трения, но и нор- мальные силы сцепления между бетоном плотины и скалой основания. Одна- ко сущность проверки на сдвиг и опрокидывание остается такой же, какая описана выше. Для грунтовых сооружений проверяется на сдвиг не только все соору- жение в целом, но и отдельные его конструктивные элементы, в первую оче- редь откосы плотин на плоский сдвиг или сдвиг по круглоцилиндрическим поверхностям. 6.2.4. Прочность (напряженно-деформированное состояние) гидротехнических сооружений При проверке устойчивости на сдвиг и опрокидывание использовалась модель абсолютно твердого тела, то есть принималось, что сооружение не может разрушиться, от него не может «отколоться» кусок, и оно может толь- ко сдвинуться или повернуться целиком. В действительности в реальном со- оружении могут возникнуть трещины, может произойти смятие, отрыв мате- риала, его срез и тому подобное, то есть нарушится его сплошность и проч- ность. Проверка прочности (оценка напряженно-деформированного состоя- ния) является неотъемлемой частью проектного обоснования ГТС. Для изучения напряженно-деформированного состояния гидротехниче- ских сооружений привлекается целый ряд разделов механики, в первую оче- редь, механики деформируемых сплошных сред (теория упругости, теория пластичности, теория хрупкого разрушения и др.), которые не изучаются в курсах технической механики технических вузов. Изложить все необходи- мые разделы в полном объеме не представляется возможным. Более того, в этом нет настоятельной необходимости, так как в настоящее время конкрет- ные задачи решаются с помощью программных комплексов, составленных 113 специалистами по вычислительной математике. Инженер является лишь пользователем этих программных продуктов. От него требуется не столько владение методами решения задач, сколько понимание их постановки, гипо- тез, заложенных в различных моделях, умение видеть достоинства и недос- татки различных расчетных моделей, делать сознательный выбор расчетной модели, умение интерпретировать результаты полученных решений. Французский инженер М. де Сазили (1853 г.) произвел расчеты ста- рейших плотин Испании Альманца, Елче, Аликанте на прочность методами сопротивления материалов. Согласно этим расчетам максимальные напряже- ния сжатия (мера внутренних сил, возникающих в теле под воздействием внешних нагрузок) в Альманца составили 6 кг/см2, в Аликанте – 14 кг/см2. В современных бетонных плотинах сжимающие напряжения на порядок выше. Например, в плотине Саяно-Шушенской ГЭС они превышают 100 кг/см2 (10 МПа). 6.2.5. Гидравлические расчеты водосбросных сооружений Выбор конструкций и размеров водосбросных сооружений, необходи- мых для холостых сбросов, а также размеров элементов водопропускного тракта, в частности диаметров турбинных водоводов, является одной из важ- нейших задач проектирования и производится на основе гидравлических расчетов. При составлении технического проекта и рабочих чертежей выполня- ются точные расчеты, а также лабораторные исследования на гидравличе- ских моделях. 6.3. Некоторые вопросы проектирования технологической части и оборудования Уже отмечалось, что проектирование ГЭС на основе материалов изы- сканий начинается с водноэнергетических расчётов. Они являются одной из важнейших частей проекта, однако, как уже было сказано, сами по себе эти расчёты недостаточны для выбора параметров ГЭС. Водноэнергетические расчёты должны производиться параллельно с энергетическими расчётами, задачей которых является определение роли проектируемой ГЭС в энергети- ческой системе в целом и в конкретных регионах в частности, т.е. при расче- тах определяются требования, которые энергосистема с учётом интересов ре- 114 гиона диктует режиму ГЭС, в том числе по составу и объёму гидросилового и электротехнического оборудования. Проектирование гидротурбин. На ГЭС устанавливаются турбины различных систем, количество устанавливаемых на каждой станции турбин зависит от установленной мощности ГЭС и расчётного напора. Тот или иной вид компоновки агрегата зависит от принятого типа здания ГЭС, от типа турбины, определяемого величиной будущего напора, от её размера, опреде- ляемого заданной мощностью, от частоты вращения и типа генератора, а также от некоторых других факторов. Поскольку в нашей стране тип актив- ных турбин не получил широкого распространения, то здесь в кратком изло- жении затронутой темы рассматриваются лишь реактивные турбины. Для разного сочетания указанных факторов стремятся найти оптималь- ные компоновки агрегатов, дающие наиболее экономичное решение не толь- ко для самого агрегата, но и для здания ГЭС в целом. Компоновка агрегата занимает важнейшее место при проектировании турбин. В последнее время для ГЭС получила признание компоновка агрега- та с двумя подшипниками и генератором зонтичного типа с опорой подпят- ника на крышку турбины. Вал турбины и генератора выполняется единым. Достоинством такой компоновки являются минимальные осевые размеры аг- регата. Однако использование такого решения ограничивается условиями об- служивания турбины и генератора (трудности выполнения проходов к узлам агрегата). Поэтому при небольших размерах диаметра рабочего колеса – ме- нее 5 м осуществление такой конструкции затруднено. В последнее время наибольшее распространение получили горизон- тальные турбины с расположением генератора в металлическом кожухе – капсуле. Применение шахтного исполнения затруднено из-за сложности гид- ротехнических сооружений, а применение прямоточной схемы усложняется условиями уплотнений и трудностями соединения обода ротора с поворот- ными лопастями, поэтому такие схемы распространения не получили. Для выбора турбин при наиболее распространенных схемах использо- вания водотока на ГЭС в нашей стране создана номенклатура типов реактив- ных турбин. В номенклатуру включены частные графики областей применения тур- бин отдельных серий. Частные графики построены в тех же координатах, что и сводный график, но с дополнительными данными, позволяющими опреде- лять размеры турбины и частоту её вращения. Эти частные графики для но- менклатурных колёс приводятся в справочниках и используются при предва- рительных расчётах турбин. Создание номенклатуры сыграло очень большую роль в развитии оте- чественного гидротурбостроения. Номенклатура способствовала системати- зации разработанных серий гидротурбин, позволила выявить области и на- правление дальнейших исследований. 115 Конструкция турбин во многом зависит от напора воды для проекти- руемой ГЭС. Для низконапорных ГЭС габариты турбин велики, что услож- няет их изготовление и транспортировку. Для высоконапорных турбин осо- бое значение приобретает прочность конструкции вследствие больших на- грузок. Мощная турбина состоит из большого количества разнообразных узлов и механизмов (направляющий аппарат, подшипники, сервомоторы, МНУ, ре- гулятор частоты вращения, спиральная камера, рабочее колесо, крышка тур- бины и др.), которые, в свою очередь, составлены из деталей самых разных размеров. Условия работы деталей турбины весьма разнообразны: некоторые за- ливаются в бетон, создавая проточную часть турбины, непрерывно находясь под воздействием потока воды; другие находятся под воздействием больших постоянных или переменных нагрузок; третьи работают в условиях непре- рывного трения и износа. Проточная часть турбины и очертания её отдельных элементов: спи- ральной камеры, направляющих и рабочих лопаток направляющего аппарата, камеры рабочего колеса и отсасывающей трубы – должны обеспечивать оп- тимальные энергетические и кавитационные свойства турбины. Оптимальная форма проточной части определяется с помощью гидро- динамических расчётов и экспериментальных исследований на стендах лабо- раторных установок (модельные исследования). В процессе компоновки турбины, проектирования её деталей должны учитываться технологические возможности существующего производства или реального его развития в процессе изготовления турбины, а также воз- можности транспортировки узлов и деталей на место монтажа. Выбор целесообразной мощности турбин крупной ГЭС необходимо производить с учётом выбора параметров остального оборудования гидро- станции – генераторов, трансформаторов, другого электротехнического обо- рудования, а также затворов, кранового оборудования и др. Оптимальные по технико-экономическим показателям параметры тур- бин могут не совпадать с оптимальными показателями сооружений и осталь- ного оборудования ГЭС, поэтому возникает необходимость сближать их, иногда пренебрегая некоторыми во имя наиболее выгодного технико- экономического проектного решения в целом. Важным фактором является стоимость сооружения силовой части здания ГЭС, во многом зависящая от параметров турбины. Поэтому только комплексное рассмотрение и анализ основных параметров и технико-экономических показателей всего оборудо- вания гидростанции и здания ГЭС могут определить наиболее целесообраз- ные параметры турбин по её надёжности – бесперебойности выработки элек- троэнергии и минимуму денежных затрат. |