Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
долгосрочных прогнозов при- точности реки, питающей водохранилище, персонал ГЭС должен наряду с соответствующими службами энергосистемы и организациями федеральной гидрометеослужбы составлять варианты прогнозных графиков режима водо- хранилища с целью максимального использования водных ресурсов на про- изводство электроэнергии, соблюдая указанные выше Правила. Для ГЭС с водохранилищами годичного регулирования, особо слож- ными для рационального использования водных ресурсов, являются мало- водные и многоводные годы. Предсказание (прогноз) природных гидрологи- ческих явлений – исключительно сложная задача. Опыт в этом накапливается годами, оптимальное распределение водных ресурсов в этих условиях прино- сит большой экономический эффект. В маловодный год своевременный пе- реход на пониженные расходы в нижнем бьефе позволит максимально нако- пить водохранилище и создать запас для осенне-зимнего максимума нагруз- ки. В многоводный год своевременная корректировка графика производства электроэнергии с увеличением её до максимально возможной в период от на- чала половодья и до его спада принесёт большую дополнительную прибыль. 134 Рис. 8.1. Режим водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС 1 - кривая маловодного года при притоке обеспеченностью 95 %; 2 – кривая средневодно- го года при притоке обеспеченностью 50 %; 3 – кривая многоводного года при притоке обеспеченностью 5 % Преждевременные холостые сбросы создают риск не заполнить водо- хранилище, поскольку предсказуемость половодий очень низкая. Опоздание с началом холостых сбросов увеличивает риск, связанный в последующем не только с большим объёмом сброса воды, но и с тем, что сброс воды будет происходить при более высоких напорах, т.е. с большими удельными нагруз- ками на водосбросные сооружения и возможными их повреждениями, а так- же с резким увеличением уровней в нижнем бьефе по сравнению с бытовы- ми. Стремление наполнить водохранилище до максимально возможного уровня в половодье может не позволить принять в водохранилище летне- осенние дождевые паводки, которые вообще не прогнозируются, и тогда вновь может возникнуть необходимость в холостых сбросах. Организация режима водохранилища должна учитывать все сезонные природные явления, присущие району гидроузла, т.е. всё, что связано, на- пример, с ледоставом, ледоходом, миграцией сора и воздействием их на ре- шётки турбин, на затворы и т.п. 135 8.4. Эксплуатация и ремонт гидротехнических сооружений 8.4.1. Организация контроля безопасности гидротехнических сооружений Одной из важнейших задач службы эксплуатации ГЭС является обес- печение безопасности гидротехнических сооружений. Последствия аварии на ГЭС, в особенности прорыв напорного фронта, могут быть катастрофиче- скими не только для региона, но и для всего государства. Поэтому обеспече- ние безопасности ГТС является задачей общегосударственного значения. Деятельность службы эксплуатации по обеспечению безопасности ГТС регу- лируется Федеральным законом «О безопасности гидротехнических соору- жений» (в редакции от 23.07.97 № 117 ФЗ). В Федеральном законе: – введены основные понятия и определения; – сформулированы полномочия и обязанности в области безопас- ности ГТС правительства РФ, органов исполнительной власти субъектов РФ, органов надзора и собственника (службы эксплуатации ГЭС); – даны принципы страхования гражданской ответственности за причинение вреда и т.д. Наибольшая нагрузка и ответственность за обеспечение безопасности ГТС лежит на собственнике гидроэлектростанции. Гидротехнические соору- жения ГЭС оснащены специальной контрольно-измерительной аппаратурой (КИА), и в состав эксплуатационного персонала входят специальные подраз- деления, задача которых – измерение с помощью КИА контролируемых по- казателей, визуальный осмотр и оценка безопасности ГТС на основе анализа величин контролируемых показателей. На небольших ГЭС натурные наблю- дения проводят группы, входящие в состав гидротехнического цеха, на круп- ных ГЭС – это могут быть лаборатории гидротехнических сооружений на правах цеха. Количественная оценка безопасности ГТС производится по многим по- казателям (параметрам) – параметрическая оценка. Измеренные на сооруже- нии показатели (параметры) сравниваются с их прогнозируемыми и предель- но допустимыми (критериальными) значениями. Критерии безопасности гидротехнического сооружения – это пре- дельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения, соответствующие допустимому уровню рис- ка аварии гидротехнического сооружения и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнических сооружений. 136 Контролируемые показатели – это измеренные на данном сооруже- нии с помощью технических средств контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) или вычисленные на основе измерений количественные параметры, а также качественные признаки состояния ГТС, выявляемые путем осмотра сооружений. Диагностические показатели – это наиболее значимые для оценки безопасности и диагностики состояния ГТС контролируемые показатели, по- зволяющие дать оценку безопасности и состояния системы «сооружение – основание – водохранилище» в целом или отдельных ее элементов. Согласно требованиям Федерального закона каждый гидроузел имеет специальный документ – «Декларацию безопасности», содержащую основ- ные сведения о соответствии гидротехнического сооружения критериям безопасности. Только при наличии «Декларации безопасности», прошедшей государственную экспертизу, сооружение включается в Регистр и собствен- нику выдается лицензия (разрешение) на эксплуатацию гидроузла. Оперативный контроль безопасности сооружений производится экс- плуатационным персоналом ГЭС соответствующего цеха либо лаборатории. Важное значение имеет визуальный контроль за гидротехническими сооружениями (наблюдения за состоянием земляных откосов плотин, осмотр поверхностей бетонных и железобетонных конструкций на предмет возник- новения трещин, выявление возникающих протечек воды и контроль за из- менением существующих выходов фильтрующейся воды, визуальная оценка мутности или её усиления в местах фильтрации и т.п.). Все накопленные данные визуальных наблюдений также являются диагностически ценными параметрами и должны лечь в основу создания экспертных систем. Важно проводить не только регулярные осмотры надводных сооруже- ний, но и подводные наблюдения за состоянием ГТС (понуры, бетонные мас- сивы, рисбермы, гасительные устройства и т.п.) либо с помощью водолазов, либо с использованием телевизионной техники. 8.4.2. Техническое, информационное и методическое обеспечение контроля безопасности гидротехнических сооружений Проект оснащения сооружений контрольно-измерительной аппарату- рой является обязательной составной частью общего проекта гидроузла. Во время строительства в сооружение закладываются датчики и марки (знаки), с помощью которых в дальнейшем измеряются контролируемые показатели. На крупных гидроузлах должны создаваться системы автоматизиро- ванного контроля гидротехнических сооружений (САК ГТС), которые вклю- чают в себя ядро системы (обычно персональную ЭВМ), связанное линиями 137 связи (кабелями) с терминалами (накопительными станциями), а те, в свою очередь, через коммутаторы и линии связи соединены с датчиками. САК ГТС обеспечивают автоматизированный сбор, передачу, хранение и обработку данных измерений. Технические средства контроля в процессе эксплуатации пополняются и совершенствуются. Система контроля состояния ГТС, обычно, включает несколько под- систем. Основными подсистемами являются: – подсистема контроля внешних нагрузок и воздействий (уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, температур окружающих воздуха и воды); – подсистема контроля перемещений геодезическими методами (плановых и вертикальных смещений характерных точек сооружения, взаим- ных перемещений отдельных сооружений на их стыках и в швах); – подсистема контроля напряженно-деформированного состояния (для измерения температур, деформаций и вычисления напряжений); – подсистема фильтрационного контроля (для измерения фильтра- ционных расходов, пьезометрических напоров фильтрующейся воды и ее химического состава); – подсистема контроля качества воды в водохранилище и в нижнем бьефе гидроузла. В сейсмически активных районах должны создаваться автоматизиро- ванные системы сейсмометрического контроля. Информационное и программное обеспечение диагностического контроля состоит из баз данных, в которых хранятся данные натурных на- блюдений, а также из программ обработки и анализа данных измерений на ЭВМ. На основе анализа данных натурных наблюдений службы эксплуата- ции ГЭС (с привлечением на подрядной основе научно-исследовательских и проектных организаций) должны периодически выпускать отчеты, в которых необходимо обобщать и анализировать данные натурных наблюдений за рас- смотренный период. Для каждого сооружения с учётом особенностей его работы и имею- щихся технических средств контроля из всей совокупности контролируемых показателей (всех измеряемых и вычисляемых по измеренным данным пара- метров) выбираются наиболее полезные и значимые (диагностические) пока- затели, по которым производится оперативная оценка состояния сооружения. Оценка производится в циклическом режиме путём сравнения на каж- дом цикле проверки измеренных (вычисленных по измеренным) значений диагностических показателей с их предельно допустимыми (критериальны- ми) значениями и с ожидаемой (прогнозируемой) на момент проверки вели- чиной этого показателя. В соответствии с рекомендациями «Методики» принято различать три группы возможных состояний ГТС при их эксплуатации: – нормальное (исправное); 138 – потенциально опасное (частично неисправное, поврежденное, частично работоспособное, параметрический отказ); – предаварийное (неработоспособное состояние, отказ). Возможно (но недопустимо) четвертое состояние – аварийное состоя- ние. Три группы состояний разделяют две границы, две группы предельно допустимых (критериальных) значений: – К1 – предупреждающие критерии, задают границу между нор- мальным и потенциально опасным состояниями; – К2 – критерии безопасности, задают границу между потенциаль- но опасным и предаварийным состояниями. Нормальное (исправное) – это состояние, при котором сооружение со- ответствует всем требованиям нормативных документов и проекта; в нор- мальном состоянии значения всех диагностических показателей попадают в прогнозируемый интервал и не превышают своих критериальных значений К1 (предупреждающих критериев). Потенциально опасное – это состояние сооружения, при котором зна- чение хотя бы одного диагностического показателя вышло за пределы про- гнозируемого интервала или превысило критериальное значение К1 (но не превзошло критерия безопасности К2). Выход за пределы прогнозируемого интервала или превышение критериального значения К1 сигнализирует об отклонении от нормальной работы и наличии повреждения (или об ошибоч- ности критериев и прогнозных моделей). Предаварийное – это состояние сооружения, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) со- ответствующего критерия безопасности К2. Если состояние сооружения диагностируется как нормальное, то мож- но продолжать эксплуатировать, не принимая дополнительных мер. Если со- стояние сооружения признано потенциально опасным, то в этом случае счи- тается, что угроза прорыва напорного фронта еще отсутствует, однако в со- оружении возникла неисправность, которую следует найти и устранить. Соб- ственник (служба эксплуатации) имеют право самостоятельной эксплуатации сооружения в течение некоторого объективного времени (вплоть до устране- ния неисправности). Однако собственник обязан принять соответствующие меры. В их числе: разработать специальные щадящие режимы эксплуатации, приступить к поиску и устранению повреждения, самостоятельно или с при- влечением экспертов оценить достоверность измерений, прогнозных моделей и критериальных значений. Если состояние сооружения отнесено к предаварийному, и существует угроза прорыва напорного фронта, то собственник обязан оповестить об этом органы надзора, он теряет право самостоятельной эксплуатации сооружения, 139 и решение о дальнейшей эксплуатации или выводе из эксплуатации прини- мается органами надзора за безопасностью ГТС. Первоначальные критериальные значения К1, К2 и прогнозные модели, которыми пользуется служба эксплуатации, передаются ей проектной орга- низацией и входят в состав «Декларации безопасности» и «Инструкций по эксплуатации». В дальнейшем, при пересмотре «Декларации безопасности» критерии и прогнозные модели корректируются с учетом данных натурных наблюдений, и новые значения утверждаются органами надзора. 8.4.3. Ремонт гидротехнических сооружений При проектировании гидротехнических сооружений должны макси- мально прорабатываться вопросы ремонтопригодности ГТС, учитывая, что любое строительство ГЭС является нетиповым и ведется в разных климати- ческих, сейсмических, геологических, гидрологических, топографических и в тому подобных, часто не повторяющихся природных условиях. А, кроме то- го, ряд лет, в течение которых ведется наблюдение за природными характе- ристиками района строительства ГЭС, бывает недостаточно полным и про- должительным по сравнению с тем, что возводимым сооружениям предстоит служить 100-300 лет. Наиболее часто встречающимися повреждениями в земляных сооруже- ниях являются просадки, промоины, сползание откосов, усиленная прони- цаемость экранов, ядер, диафрагм, заиление дренажных систем и пьезомет- рических устройств, и т.п. В бетонных и железобетонных сооружениях часто разрушается слой бетона в зонах переменного уровня воды, образуются трещины в массивах плотин и их элементах, возникает абразивный и кавитационный износ по- верхностей водосбросов, коррозионный износ металлоконструкций, выход из строя элементов подземного противофильтрационного контура плотин и др. При ремонте сильно разрушенного поверхностного слоя бетона мас- сивного сооружения необходимо удалить поврежденную часть бетона до здоровой, но не менее 0,5-1,0 м, что позволит установить анкера, дополни- тельную арматурную сетку и т.п., а также качественно проработать бетонную смесь новой укладки в слое между опалубкой и массивом. Неглубокие места (каверны) обычно заделываются полимерными материалами на основе эпок- сидных смол. Остановимся подробно на двух конкретных случаях крупных восстано- вительных ремонтных работ, проведенных в водобойном колодце и в теле плотины Саяно-Шушенской ГЭС. 140 Схема сопряжения бьефов при пропуске холостых сбросов на Саяно- Шушенской ГЭС выполнена путем устройства водобойного колодца, имею- щего трапецеидальную форму длиной по оси 144,8 м и ширину в плане у плотины 130,7, сужающуюся до 112,6 м у водобойной стенки. Дно водобойного колодца было закреплено уложенными на бетонную подготовку армированными плитами. Равномерно плиты были прикреплены к скальному основанию простыми анкерами. Между плитами были установ- лены шпонки, которые должны были препятствовать проникновению гидро- статического и гидродинамического давления в подплитное пространство. Фактически на практике избежать этого не удалось, и крепление было раз- рушено (рис. 8.2). Ширина зоны повреждения составляла 25-30 м, длина 60- 65 м, глубина до 10 м. Основные технические решения, которые легли в основу ремонтных работ водобойного колодца, сводились к следующему: размер плит (столбов) крепления дна в плане был сокращен вдвое; в межблочные швы закладыва- лась цементационная арматура для улучшения качества инъецирования рас- твора в швы, а также использовалось трубное охлаждение блоков для боль- шего раскрытия швов и улучшения условий их омоноличивания; был учащен шаг анкеров, а в двух рядах были установлены предварительно-напряженные анкера на глубину до 20 м; для обеспечения совместной работы блоков в швах были установлены опорные бетонные шпонки, а в швах свежеуклады- ваемых блоков – еще и металлические шпонки. Растянутая зона напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС ока- залась значительно больше и напряженно-деформированное состояние её хуже, чем предполагалось проектом. При этом необходимо отметить, что на данном высоконапорном гидроузле, как и на всех подобных ему с высокими плотинами в России, не предусматриваются водосбросы по опорожнению водохранилищ из-за очень сложных и тяжелых гидравлических, а также прочностных условий, в которых должны содержаться и крайне редко рабо- тать водосбросные устройства и их затворы. Таким образом, ремонт необходимо было вести в условиях напорной и высокоскоростной фильтрации. Промедление с работами по прекращению фильтрации было недопустимо из-за неизбежной деградации бетона в зоне тела плотины с нарушенной сплошностью (монолитностью), где возникла сеть трещин. 141 Рис. 8.2. Внешний вид разрушенного водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС а – площадь разрушения; б – вынос плит крепления дна со своих мест Во избежание суффозии бетона растянутой зоны в ней была проведена инъекция цементным раствором по традиционной технологии с использова- нием цемента, а также с применением полиуретана. Ни тот, ни другой способ не привел к положительному результату из-за очень высокой скорости воды в трещинах. Для решения проблемы была разработана нетрадиционная в оте- чественной практике технология инъецирования бетона с применением не- традиционных полимерных материалов типа «Родур». Использование новой бурильной и нагнетательной техники с применением «Родура» и инъециро- вание по специально разработанной схеме позволили надежно заполнить трещиноватую зону бетона с хорошей адгезией материала с бетоном. Рас- 142 твор, обладая высокой вязкостью, имеет хорошую проницаемость, низкое поверхностное натяжение, инертность к воде и способность быстро отверде- вать при низких температурах, при этом по сравнению с бетоном достаточно эластичен (модуль упругости 3500-5000 МПа). Влияние инъецирования на напряженно-деформированное состояние системы «плотина – основание» также тщательно контролировалось по кон- трольно-измерительной аппаратуре. Эффективность работ по ремонту бетона плотины, цементационной за- весы и скального основания была доказана тем, что фильтрация через тело плотины в ремонтируемой зоне сократилась в 100 раз, а в основании – в 2 раза. Этот пример показывает, насколько ответственным и сложным являет- ся проектирование и строительство гидротехнических сооружений и на- сколько от изученности проблемы и качества проекта зависят надежность дальнейшей эксплуатации сооружений и затраты на их ремонт (затраты на ремонт колодца составили около 63 % от годовой выручки ГЭС за отпущенную электроэнергию). На тех гидроузлах, где возможно полное опорожнение водохранилищ, доступными для ремонта являются понурная часть, напорная грань со сторо- ны водохранилища и другие элементы ГТС, что позволяет выполнять круп- ные ремонтные работы, вплоть до пристройки дополнительных массивов и т.п. На грунтовых сооружениях при усилении водопроницаемости экрана, диафрагмы или ядра применяют для ремонта также инъецирование цемент- ными, глинистыми или синтетическими растворами. В некоторых случаях отсыпают на напорную грань глину или суглинистые грунты, иногда забива- ют дополнительные шпунтовые стенки параллельно существующей диа- фрагме или шпунтовой завесе. |