Первые итоги строительства малых ГЭС в Дагестане

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 14, 2008. -I-

УДК 626.8 И.А-Г. Сулейманов

ВПЕРВЫЕ ИТОГИ СТРОИТЕЛЬСТВА МАЛЫХ ГЭС В ДАГЕСТАНЕ

В работе проведен анализ строительства новых конструкций водозаборных сооружений на горных реках для малых ГЭС. Дается сравнение с классическими типами водозаборных сооружений.

Исследования проводившиеся в ДГТУ с середины 1990-х годов показали, что в Дагестане, только на малой речной сети, со среднегодовыми расходами рек менее 8 м /с, может быть построено более 3,3 тысяч малых, мини и микро ГЭС (МГЭС), а на всём Северном Кавказе их может быть порядка 10 тысяч [1,2] . В рамках предложенной ранее классификации гидроэлектростанций по мощности [1,3] (таблица 1), к МГЭС можно отнести первые четыре категории ГЭС из указанных в таблице 1, мощностью до 10 тыс. кВт. В таблице МГ означает «мощность ГЭС», а последующие цифры - категорию ГЭС. В указанных выше и в других публикациях приводятся проблемы связанные со строительством МГЭС в горных условиях на малых и мельчайших реках, в частности, со строительством плотин малых категорий, сопровождающих создание МГЭС. Касательно водохранилищных вариантов МГЭС, разработаны новые конструкции подпорных сооружений и технологии их возведения, которые в том числе, реализованы в реальном строительстве [3 -6] .

Таблица 1.

_К Классификация гидроэлектростанций по их мощности_

Категория ГЭС по мощности МГ-1 МГ-2 МГ-3 МГ-4 МГ-5 Мг-6 МГ-7 МГ-8

Мощность ГЭС, МВт До 0,01 0,010,1 0,1-1 1-10 10100 1001000 100010000 10000100000

Возможны три схемы строительства малых ГЭС - водохранилищного, деривационного и комбинированного (водохранилищно-деривационного) типа. В настоящее время, в Дагестане проектируются и строятся малые ГЭС деривационного типа, которые по классификации таблицы 1 относятся в основном к категории МГ-4. Например, в 2006-2008 годах, в Рутульском районе Дагестана запроектировано и построено четыре ГЭС этой категории: Амсарская мощностью 1 МВт; Магинская, мощностью 1,2 МВт; Шиназская, мощностью 1,38 МВт и Аракульская мощностью 1,4 МВт. Все эти ГЭС построены, на притоках реки Самур. В выполняются (организацией ООО «Энергострой ЛТД», с участием кафедры ГТС ДГТУ) ряд новых проектов для Дагестана, Кабардино-Балкарии и Северной-Осетии (Алания). Строительство этих ГЭС ожидается в ближайшее время. Мощность новых ожидаемых ГЭС в трёх указанных выше Республиках находится в пределах до 4 МВт.

Строительство в настоящее время МГЭС деривационного типа явление не случайное. Это связано с наличием в Дагестане и на Северном Кавказе достаточно большого количества малых рек со среднегодовыми расходами от 2 до 5 м3/с, Строящиеся МГЭС располагаются в диапазоне высот гор от 1500 до 2500 м, которые имеют относительно большие уклоны русел рек (0,03-0,08), что позволяет создавать относительно недорогие МГЭС. На выбор створа влияют: условия подъезда к нему, наличие поблизости существующих дорог, расстояние до ближайшей линии электропередач (ЛЭП) мощностью 10 и более КВт и т. д.. Указанные

выше уклоны и среднегодовые расходы рек позволяют строить деривационные типы МГЭС мощностью от 1 до 5 МВт, при напорах порядка 50-100 м и длине деривации от 500 до 1500 м. При этом, водохранилища не предусматриваются. В настоящее время эти типы МГЭС с указанными выше параметрами рек и напоров, экономически достаточно перспективны. Строительство именно деривационных типов МГЭС, на данном этапе, является также политика «ГидгоОГК» и региональноой гидрогенирирующей компании Дагестана.

Необходимо отметить, что так называемое строительство «малых ГЭС» есть не что иное, как строительство малых гидроузлов, состоящих из нескольких объектов объединенных «условием совместной работы и местоположением» (известное определение, которое даётся для больших и средних гидроузлов). Это определение полностью подходит и к строящимся гидроузлам с малыми ГЭС. Учитывая это, их можно называть «малыми гидроузлами». В этой связи, малые гидроузлы с деривационной схемой работы ГЭС состоят из трёх ярко выраженных частей, это: 1. Водозаборный узел, способствующий организованному забору расчётного количества воды из реки, для подачи его в водоприёмник деривации ГЭС; 2. Деривационный водовод, транспортирующий воду от водозабора до здания ГЭС; 3. Собственно ГЭС, где непосредственно вырабатывается электроэнергия.

Кратко характеризуя эти объекты (в обратном порядке) можно отметить, что ГЭС состоит из здания, внутри которого находятся гидротурбины, гидрогенераторы, система автоматики управления, распределительные электрические сети, система водоводов подводящих воду к гидротурбинам, отсасывающие трубы, отводной канал и т.д. Деривационный водовод может быть закрытого типа (труба или туннель), непосредственно подводящий воду к гидротурбинам. Может быть в виде канала переходящего на концевом участке в закрытый водовод (через аванкамеру водоприёмника). Может быть комбинированной, когда транзитный водовод состоит из участков в виде канала и напорных труб. Возможны и другие комбинации водоводов, например с напорными или безнапорными туннелями.

Водозаборный узел может иметь в своём составе водосливную плотину с регулируемой (затворами) и нерегулируемой частями, глухую бетонную или земляную плотину, водозаборную галерею, аванкамеру подачи воды в деривацию (с промывником донных наносов), водоспуск - для сброса воды в нижний бьеф в аварийно-ремонтных случаях, механизмы подъёма затворов, рыбоход, водобойные устройства в нижнем бьефе и т.д. Водозаборный узел непосредственно взаимодействует с основными природными факторами действующими на малый гидроузел, как: воздействие на сооружения водного потока и донных наносов реки, русловые процессы, процессы замерзания и оттаивания бетона и грунта входящих в состав сооружений, шуговые и ледовые явления, фильтрационное воздействие, давление грунта и т. д.. При этом, от чёткости работы водозабора зависит надёжная и бесперебойная работа ГЭС. Эта часть малого гидроузла и является основной заботой гидротехников при принятии проектных решений.

Уже на стадии проектирования малых гидроузлов для МГЭС на горных реках с нескальным руслом специалисты столкнулись с некоторыми проблемами, которые отсутствуют, например, при строительстве малых гидроузлов на равнинных реках. К этим проблемам можно отнести:

1. Дороговизна применения в компоновке водозаборных узлов конструктивных схем с бетонными водобойными устройствами в нижнем бьефе (водобойных колодцев, рисберм и т. д.);

2. Абразивное исстерание водосливных бетонных поверхностей донными наносами

реки;

3. Засоряемость решёток донных галерей водозабора мелким каменным материалом, что уменьшает их пропускную способность и не обеспечивает работу ГЭС в расчётном режиме;

4. Очистка водозаборной галереи и аванкамеры от каменистого материала просочившегося через решётку и недопущения его в деривацию;

5. Устройство экономичных вариантов водоспусков, для сброса воды в нижний бьеф, на случай ремонта водосливных поверхностей, ремонта водозаборной галереи или аварии на водозаборном узле.

Решению этих и других проблем строительства водозаборных узлов малых гидроузлов на горных реках посвящены исследования кафедры ГТС ДГТУ и проектные работы ООО «Энергострой ЛТД». Некоторые найденные решения этих проблем приводятся ниже.

До настоящего времени, при проектировании водозаборных сооружений на горных реках, в случае нескальных оснований, сопряжение бьефов часто осуществлялось по классической схеме, с помощью бетонных водобойных устройств в нижнем бьефе. В этом случае, водосливная поверхность плотины сопрягается в низовой части с водобойной плитой (или водобойным колодцем), рисбермой и концевым устройством в виде ямы размыва. Такие схемы сопряжения, в своей основе, разработаны для случая равнинных рек. «Слепой» перенос этих схем на случай горных рек, ведёт к большим объёмам бетона во флютбетной части сооружении и в береговых стенах-устоях.

Вторым важным недостатком данного вида сопряжения является, исстераемость бетона водосливных поверхностей донными наносами реки, что может со временем привести к аварии сооружения. Например, в 1964 году твёрдый сток реки Черек-Балкарский «стёр» бетонную поверхность водобоя водозабора Мухольской ГЭС (Кабардино-Балкария), что привело к разрушению водобойных устройств нижнего бьефа и трёх пролётов водосливной плотины. Сооружение было построено в 1960 году. В 1995 году, в Дагестане, на реке Акташ была построена водосливная плотина с водобойными устройствами в нижнем бьефе. Через два года эксплуатации, поверхность водобоя напротив центра плотины была стёрта донными наносами реки на 40 см. Специальная защита водосливных поверхностей износостойким материалом, ведёт к удорожанию сооружения в целом из- за больших площадей подлежащих воздействию твёрдого стока.

Третьим серьёзным недостатком классической схемы сопряжения является, «неповоротливость» этой схемы в плане, при нанесении контура сооружений на топографию местности. Это связано с извилистостью малых горных рек, когда «длинные» флютбеты водопропускных сооружений часто не вписываются между поворотами рек, а в узких нескальных створах основание бетонных стен-устоев требует большой ширины, с соответствующей подрезкой береговых склонов.

Учитывая указанные выше недостатки, на кафедре ГТС ДГТУ, в 2000-2007 годы, были разработаны несколько вариантов водозаборов для горных рек, для случая нескальных оснований в створе водозаборов. В 2007-2008 годах некоторые из этих вариантов водозаборов были внедрены в реальные проекты и в строительство.

Первый из разработанных конструкций водозаборов был реализован при строительстве Амсарского малого гидроузла. Учитывая это, преимущества новых конструктивных решений дадим на примере данного водозабора. На рис.1 представлен поперечный разрез Амсарского водозабора по новому конструктивному решению. Разрез дан по бетонной водосливной плотине 1 с плитой консолью 2, водозаборной галерее 3, толстому 4 и тонкому понуру 5. Крепление нижнего бьефа осуществляется с помощью каменного ковша 6, на слое обратного фильтра 7. Вдоль всех этих сооружений, по обоим берегам, выполнены стены-устои 8.

На рис. 2 представлен классический вариант поперечного разреза сооружений водосливного фронта в том же масштабе, что и рис. 1, где: 1 - водосливная плотина (показана

без водозаборной галереи); 2 - бетонный водобойный колодец (или плита); 3 - бетонная рисберма; 4 - понур; 5 - стены-устои и яма размыва - 6.

Из сопоставления вариантов конструкций рисунков 1 и 2 видно, что общая длина бетонных сооружений водосливного фронта в новом решении, в 4,3 раза меньше чем в классическом варианте. Это достигается за счёт замены бетонных водобойных устройств нижнего бьефа в классическом варианте, на каменное крепление (ковш) в новом решении.

5 4 3 1 2 6 8

Рис. 1. Поперечный разрез плотины Амсарского узла по водозаборной части

3

г

г

ь

Рис. 2.Поперечный разрез «классического варианта» водозаборной части плотины с водобойными устройствами

При этом, в конструкции новой плотины сделан консольный выступ 2, который отбрасывает поток воды на каменный ковш 6. Для сохранения устойчивости нового типа

плотины на сдвиг и опрокидывание, его понур выполнен в монолите с плотиной и увеличен по толщине на части своей длины до 0,75 м. Толщина тонкой части понура составляет 0,25 м. В случае Амсарского водозабора, стены-устои 8 продвинуты до конца крепления каменного ковша. Это вынужденное решение, т. к. по левому борту впритык к водозабору проходит существующая дорога, которую необходимо защищать от обрушения, а правобережная стена-устой удерживает от обрушения грунтовую плотину. Во многих случаях, при отсутствии таких ограничений, стены-устои достаточно устраивать до конца (носка) консоли, закрепляя остальную часть откосов камнем. В этом случае получаем экономию бетона в гораздо большем объёме, т. к. основной объём бетона водозаборного сооружения, в случае нескальных берегов, содержится в стенах-устоях (в обоих типах сооружений).

Таблица 2.

Сравнение объёмов бетона в водозаборных узлах малых ГЭС

№ Наименование Объём бетона в Объём бетона в Уменьшение объёма

малых классич. вариантах новых типах бетона в новых

гидроузлов водозабора, м3 водозабора, м3 типах водозабора

1 Амсарский 830 400 2,08

2 Аракульский 1500 400 3,75

3 Мухольский 3364 1200 2,81

4 Шиназский 2100 1146 1,83

В результате, в построенном варианте Амсарского водозаборного узла, объём бетона примерно в 2,1 раза меньше чем в классическом варианте. Конкретные данные по объёму бетона в обоих типах плотин приводятся в таблице 2. В этой же таблице даются аналогичные данные по водозаборным узлам Шиназской, Аракульской и Мухольской (Кабардино Балкария) малым ГЭС. Причём, водосливные плотины Шиназской и Мухольской малых гидроузлов имеют другие конструктивные решения чем у Амсарской, они же отличаются и между собой. Данные таблицы 2 показывают, что объём бетона в новых конструкциях водозаборных сооружений меньше чем классических вариантах от 1,8 до 3,8 раза! Это указывает на то, что одна из поставленных задач по водозаборам горного типа решена успешно.

Найденные конструктивные решения по новым типам плотин одновременно решают и вторую из поставленных выше задач - по абразивному воздействию твёрдой части донных наносов на бетон водосливных поверхностей. Как видно из рисунков 1 и 2, длина и площади поверхностей бетона подверженных истеранию в случае классических типов флютбетов, значительно превышают водосливные поверхности в новых конструктивных решениях. Например, по Мухольскому водозаборному узлу более чем в 21 раз!

Из указанных выше других проблем решены вопросы по удалению из водозаборной галереи каменистого материала просочившегося в него через просветы решётки. В найденном решении этот материал промывается гидравлическим способом в автоматическом режиме. Имеются разные варианты решения данной проблемы. Найдено удачное решение по водоспуску, для опорожнения верхнего бьефа на случай ремонта и осмотра состояния сооружений водозабора в период межени на реке. Оно состоит в том, что трубу водоспуска (на Амсаре диаметром 1 м) укладывают в стену-устой, размеры которой позволяют делать это. С верховой стороны входное отверстие в водоспуск (со стороны понура) перекрывают затвором, а с низовой стороны устраивают выходное отверстие напротив центра каменного ковша, с лекальным поворотом трубы в данном месте. Такое решение одновременно позволяет вести промывку донных наносов продвигающихся к плотине по понуру и сэкономить бетон в массиве стены-устоя на объём трубы. Промывка донных наносов осуществляется по известной схеме «наносоперехватывающих галерей» [7,8], при частичном

(малом) открытии затворов в период паводков. Промывка идёт в автоматическом режиме. Эти решения реализованы в реальном строительстве.

Разработаны несколько вариантов конструктивных решений и по очистке водозаборных решёток от каменистого материала, застревающих в просветах решётки, но в реальных объектах они ещё не реализованы. Работа в этом направлении продолжается.

Библиографический список:

1. Сулейманов И.А-Г., Сулейманов Б.И. «Малые ГЭС и пути освоения гидроэнергопотенциала малых и мельчайших рек». РАН. Отделение энергетики, машиностроения и процессов управления. Институт проблем геотермии ДНЦ РАН. «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов».Махачкала,2006, с.59-69.

2. Рагимова А.С. «Обоснование строительства бетонных плотин на малых реках для комплексного использования водных ресурсов горного Дагестана». Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. по специальности 05.23.07 - Гидротехническое строительство. Махачкала, 2005, 188 с.

3. Сулейманов И.А-Г., Гаджиева А.С. «Особенности строительства бетонных плотин малых категорий». М., Гидротехническое строительство, № 2, 2001, с. 25-29.

4. Сулейманов И.А-Г. «Дагестанская сборная бетонная плотина». М., Гидротехническое строительство, №11, 1992, с. 15-20.

5. Сулейманов И.А-Г., Муслимов В.Х. «Строительство плотин на малых реках». М., Гидротехническое строительство, № 9, 1993, с. 14-18.

6. Сулейманов И.А-Г., Сулейманов С.И. «Конструктивные особенности сборной бетонной арочной плотины на р. Чуглинка». М., Гидротехническое строительство, № 4, 2002, с. 21-23.

7. «Гидротехнические сооружения». Под ред. Н.П.Розанова. -М, «Стройиздат», 1978, с. 647.

8. «Гидротехнические сооружения». Под ред. Н.П.Розанова. -М, «Агропромиздат», 1985, с. 432.

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 14, 2008. -I-

I.A.-G. Suleimanov.

THE FIRST RESULTS OF THE SMALL HES CONSTRUCTION IN DAGHESTAN

The analysis of building of new water scoop constructions on mountain rivers for the small-sized HES has been carried out in the paper.

The comparison with classical types of water scoop constructions is given.

Сулейманов Ильяс Абдулла-Гаджиевич (р. 1951) Заведующий кафедрой ГТС, профессор кафедры ГТС Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук (1993). Заслуженный деятель науки (1997). Окончил Дагестанский государственный технический университет (1974).

Основные направления научной деятельности: Теория фильтрационных расчетов в грунтовых сооружениях. Расчеты устойчивости грунтовых откосов. Конструкционные расчеты технологии возведения и организация строительства в области сбора деталей Автор 135 научных трудов