На современном этапе эксплуатации ГЭС в России актуальным является вопрос о реконструкции и техническом перевооружении гидроузлов в целом по стране. Большинство длительно эксплуатируемых гидротехнических сооружений России находится в неудовлетворительном состоянии, требующем модернизации и реконструкции. По прошествии длительного периода эксплуатации гидротехнические сооружения продолжают работать без плановых ремонтов, необходимо произвести техническую реконструкцию сооружения на базе инновационных, а также ранее проверенных технологий ремонта. Всего в России находится в эксплуатации около 65 тысяч гидротехнических сооружений, попадающих под действие закона «О безопасности гидротехнических сооружений» № 117-ФЗ.
Гидроузел Сальского водохранилища представляет собой земляную плотину длиной 240 м и шириной по гребню 10 м, наибольшая высота плотины – 8 м, средняя – 8 м. Состав гидротехнического сооружения – плотина, водосбросное сооружение, водовыпуск, объем водохранилища – 23 млн м3, площадь водного зеркала при НПУ – 770 га, максимальный напор – 4,0 м, средняя глубина – 3,0 м, ширина водоохранной зоны – 50,0 м.
На данном гидроузле запланирована реконструкция с целью создания малой ГЭС. После проведения реконструкции Сальского гидроузла работа будущей малой ГЭС будет обеспечиваться за счет поднятия уровня воды в водохранилище на 0,5 м выше отметки НПУ = 29,0 м и тем самым создания дополнительного напора для работы малой ГЭС. Сальское водохранилище расположено в бассейне реки Средний Егорлык, объем водохранилища 23,1 млн м3, наибольшая длина 22,0 км, площадь водной поверхности 7,7 км2 = 770 га, при средней глубине 3,0 м [3].
На низконапорных гидроузлах закрытые водосбросы применяют в основном для пропуска расходов, не превышающих 50... 100 м3/с. Среди таких водосбросов наиболее широко распространены конструкции сифонного, ковшового и шахтного типов. Отличительные особенности водосбросов сифонного типа – незначительный подъём воды в водохранилище (0,5 ... 0,8 м) над НПУ при сбросе максимальных расходов, что позволяет уменьшить площадь отчужденных земель под чашу водохранилища, а также высокая сборность сооружения (коэффициент сборности 56... 63 %). Сооружение возводят из пяти типов унифицированных изделий. К недостаткам конструкции сооружения относятся трудность обеспечения высокой степени герметичности соединения напорных труб в реальных условиях строительства и эксплуатации, а также цикличность работы.
Основной элемент сифонного водосброса – трубопровод, запроектированный из звеньев железобетонных напорных труб. В зависимости от требуемой пропускной способности сооружения трубы укладывают в одну, две или три нити. Данный тип водосброса рекомендуется применять на водотоках с быстро нарастающим паводком и небольшой аккумулирующей емкостью водохранилища. Функции водоприемника в сооружении выполняет шахта, верхнюю кромку которой располагают на отметке нормального подпорного уровня. На гребне предусматривают установку сороудерживающей решетки. В передней части шахты устраивают затворную камеру, в которой монтируют рабочий и резервный затворы. При необходимости забора воды на орошение в шахте на различных её отметках могут быть устроены отверстия с выпуском воды в затворную камеру.
В ходе проведения реконструкции гидроузла Сальского водохранилища запроектировано техническое решение, имеется успешный опыт эксплуатации оборудования на перепадах уже существующих плотин, каналов, систем водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий и объектов городского хозяйства, очистных сооружений, оросительных систем и питьевых водоводов.
1. Тип гидроэлектростанции: деривационная малая ГЭС.
2. Сооружения малой ГЭС:
– входная часть – водоприемный колодец (2,8x3,5 м);
– проводящая часть – деривационный трубопровод (Дн = 0,72 м; 2 нитки),
– здание малой ГЭС 6x6 м;
– отводящий канал (вдн = 4 м, Ирасч = 1,1 м);
3. Класс капитальности основных сооружений – III класс.
4. Напор максимальный статический: 6,5 м.
5. Максимальный расход: 0,83 м/с.
6. Установленная мощность электростанции: 150 кВт.
7. Среднемноголетняя выработка электроэнергии: 225600 кВт.
8. Минимальное число часов использования установленной мощности в год: 1684 часа.
При мощности малой ГЭС 150 кВт вырабатываемой электроэнергии достаточно для обеспечения ближайшего сельского населения Ростовской области. Использование ресурсов гидроэлектростанции (относительно дешёвой электроэнергии, очищенной воды, конденсата, пара) обеспечит продукции более низкую себестоимость и, соответственно, конкурентоспособность. Использование всей электроэнергии, вырабатываемой малой ГЭС, на производство продукции постоянного спроса будет способствовать повышению её экономической устойчивости, особенно в условиях кризиса.
Ставится задача повышения уровня водохранилища в процессе реконструкции, поэтому в качестве объекта исследований рассматривается водоприемный колодец, и определяются степени надежности реконструируемого сооружения.
На первой стадии эксперимента была построена твердотельная модель [6] (рис. 1) водоприемного колодца.
Рис. 1. Твердотельная модель водоприемного колодца
Расчет был выполнен на программном комплексе SCAD, работа которого основана на методе конечных элементов и суперэлементов. Рассмотрено напряженно-деформированное состояние железобетонных несущих элементов при изгибе, кручении, сжатии и растяжении, а также при их различном сочетании. Кодирование исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учетом фрагментального представления несущих элементов в виде объектов простой геометрической формы, выполненных из железобетона марки В45. В постановке численного расчета реконструируемого водопроводящего колодца без образования дефектов преследовалась цель установления адекватности твердотельной модели в напряженно-деформированном состоянии. Число элементов и число узлов ансамбля соответственно составило 143673 и 32742 [6, 1]. Кодирование исходной информации осуществлялось в терминах метода приращений с учетом фрагментарного представления водоприемного колодца в виде объектов простой геометрической формы.
Сравнения эпюр перемещений водоприемного колодца по вертикали, по горизонтали вдоль и поперек несущих элементов выявило незначительные внутренние изменения. Наиболее интересна эпюра перемещений по горизонтали (рис. 2, а), на которой показано изменение положения элементов вследствие приложенных нагрузок, а также некритические смещения бортов. Данные результаты свидетельствует о наличии большого запаса их прочности.
Перемещения по горизонтали вдоль несущих элементов показывают незначительные смещения зон опирания горизонтальных железобетонных элементов (рис. 2, б) [7].
На рис. 2, в представлена эпюра перемещений по вертикали водоприёмного колодца, где видно слабое место реконструируемого железобетонного водоприемного колодца. В месте сопряжения горизонтальных и вертикальных элементов при эксплуатации сооружения и изменении технических параметров могут возникнуть продольные трещины. Во избежание данной проблемы выявленное слабое место железобетонного сооружения необходимо усилить, так как его технические свойства находятся на опасном пороге технической эксплуатации. Также необходимо обратить внимание на усиление арматурного каркаса водоприемного колодца.
Суммарные эпюры перемещений подчёркивают (рис. 2, г) незначительную жесткость бортовых горизонтальных элементов, нуждающихся тоже в арматурном усилении [5].
а) б) в) г)
Рис. 2. а) эпюра перемещений по горизонтали поперек водоприемного колодца; б) эпюра перемещений по горизонтали по длине водоприемного колодца; в) эпюра перемещений по вертикали водоприемного колодца; г) эпюра суммарных перемещений водоприемного колодца
Как показали результаты сравнения эпюр эквивалентного напряжения von Misеs (рис. 3) [4], наибольшие напряжения возникают по вертикали несущих элементов, а именно в нижней части сооружения. Это свидетельствует о возникновении критических напряжений в основании сооружения, воспринимающего на себя не только нагрузку от воды, но и вес всего сооружения.
Эпюры эквивалентного напряжения von Misеs по горизонтали вдоль и поперек несущих элементов (рис. 3, а) показывают также наибольшие напряжения, возникающие в зоне опирания сооружения на фундамент, вызванные деформациями несущих элементов. Присутствуют также напряжения в горизонтальных железобетонных элементах.
а) б) в)
Рис. 3. а) эпюра напряжений по горизонтали водоприемного колодца; б) эпюра напряжений по вертикали водоприемного колодца; в) эпюра суммарных напряжений водоприемного колодца
Проведенное моделирование напряженно-деформированного состояния убедило в наличии существенного запаса прочности несущих железобетонных элементов реконструируемого водоприемного колодца.
Анализ полученных данных показал, что величины абсолютных перемещений удовлетворяют принятым нормам проектирования гидротехнических сооружений. Учитывая, что метод конечных элементов базируется на общих гипотезах теории упругости, ему следует отдавать предпочтение при проектировании и расчетах гидротехнических сооружений. Полученные величины максимальных напряжений меньше значений, вычисленных по формулам СП [2].
Получены эмпирические зависимости изменения напряжено-деформированного состояния моделируемых элементов от интенсивности поднятия уровня воды (рис. 4).
Рис. 4. График эквивалентного напряжения по von Misеs водоприемного колодца
Водоприемный колодец:
GVЭ = 0,000479а2 + 0,0219а – 0,337; R2 = 0,97;
В результате проведенных численных экспериментов был установлен интенсивный порог опасности поднятия воды в водоприемном колодце, превышение которого может привести к разрушению сооружений – более превышения уровня наполняемости.