СПОСОБ Е.Н.ХРУСТАЛЕВА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙНОСТИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК E02B9/00 E02B7/12 

Изобретение относится к области безаварийного сооружения и эксплуатации арочной гравитационной гидроэлектростанции (ГЭС).

Известен способ предотвращения аварийности водосливной плотины Паркер (США, р. Колорадо, 1938 г.), заключающийся в том, что монолитное железобетонное тело плотины высотой Н₀=95 м выполняют выпуклым в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия, тело плотины по высоте Н₀ проектируют и изготавливают в продольных горизонтальных сечениях постоянным радиусом R=const, который рассчитывают методом модельных испытаний в проточном бассейне и уточняют прочностными расчетами, расчетами и моделированием снижают напряженно-деформированное состояние тела плотины, нагруженного со стороны давления воды в водохранилище, а бетонное тело плотины армируют металлическими стальными прутьями, которые сваривают в решетки, тело плотины снабжают эксплуатационными сливными водоводами со стороны водохранилища, турбины генераторов электрического тока устанавливают в водопропускном канале на уровне воды в реке за телом плотины, на входе эксплуатационный водосброс снабжают подвижными гидрозатворами, стакан статора гидрогенератора замоноличивают в тело плотины и вместе с ротором закрывают крышкой через резьбовое соединение болтов и гаек, при этом угол контакта тела арочной плотины с водой в водохранилище составляет при постоянном радиусе R арки тела плотины величину на уровне Н_В верхнего бьефа воды в водохранилище, а фундамент плотины выполнен с плоской подошвой и выступающим зубчатым выступом [1].

Тщательные модельные испытания позволили определить величину угла контакта верхнего бьефа воды в водохранилище с арочным телом железобетонной плотины (фиг. 1), при котором поверхностные напряжения в теле плотины со стороны водохранилища имеют равномерное распределение на уровне Н₀=95 м. Однако с увеличением глубины воды в водохранилище перед телом плотины при сближении береговых линий реки и сокращении длины тела плотины угол контакта тела плотины с водой водохранилища уменьшается до минимума , при этом с ростом глубины воды со стороны водохранилища давление воды будет вызывать в теле плотины у ее центра максимальные пиковые напряжения в выпуклой параболической эпюре контактных напряжений, следствием чего будет проявление и рост на теле плотины поверхностного трещинообразования. Трещинообразование у основания тела плотины с противоположной стороны от водохранилища не проявляется из-за незначительной высоты плотины и недостаточного гравитационного напряжения от веса тела плотины у ее основания.

Достаточный запас прочности резьбового соединения крепления крышки и ротора в статоре гидрогенератора электрического тока, и незначительный перепад уровня воды позволяет устранить аварийность электростанции при резком сливе воды в водохранилище.

Плоская подошва фундамента арочной плотины вызывает в подстилающем грунтовом основании развитие пиковых контактных напряжений и вероятные выпоры грунта из-под фундамента вблизи краев подошвы и не вызывает аварийной ситуации только за счет компенсационного противодавления воды со стороны водохранилища и противодавления наращиваемого тела плотины со стороны сливных водостоков стационарной плотины.

Известен способ предотвращения аварийности Саяно-Шушенской ГЭС на реке Енисей (Россия), заключающийся в том, что монолитное железобетонное тело гравитационной плотины высотой Н₀=240 м выполняют выпуклым в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия, тело плотины по высоте Н₀ проектируют и изготавливают в продольных горизонтальных сечениях с постоянным радиусом R=const, который рассчитывают методом модельных испытаний в проточном бассейне, уточняют прочностными расчетами напряженно-деформированного состояния тела плотины методом «независимых» (чистых) арок, расчетом тела плотины как пространственной системы методом арок - центральной консоли, основанным на теории тонких оболочек по способу Риттера-Скрыльникова, расчетами с учетом колебаний температуры, упругости заделки пят и шарниров по способу С.В. Соколовского, далее рассчитывают податливость материала основания плотины методом Фогта-Тельке, расчеты тела плотины уточняют методом оболочек и пространственной теории упругости, расчетами и моделированием снижают напряженно-деформированное состояние тела плотины, нагруженного со стороны давления воды в водохранилище, а бетонное тело плотины армируют металлическими стальными прутьями, которые связывают в решетки, тело плотины снабжают эксплуатационными сливными водоводами с высоты Н_В=237 м верхнего бьефа до высоты Н_Н=178 м нижнего бьефа воды в водохранилище, вертикальную турбину генераторов электрического тока устанавливают на уровне Н_Г=16,5 м в водопропускном канале, на входе эксплуатационный водосброс снабжают подвижными гидрозатворами, статор генератора электрического тока замоноличивают в гнезде тела плотины, ротор генератора от вертикального выброса из статора в гнезде тела плотины удерживают крышкой, которую крепят к стакану статора через резьбовое соединение болтов и гаек, при этом угол контакта тела арочной плотины с водой в водохранилище принимают по величине на уровне Н_В верхнего бьефа воды плотины у берегов водохранилища и - на уровне Н_Р воды в естественном русле реки, а фундамент плотины выполняют с плоской подошвой и выступающим зубчатым выступом [2].

Недостатком известного способа предотвращения аварийности конструкции тела плотины гидроэлектростанции является то, что современные методы расчетов и моделирования не устраняют причины возникновения на высоте Н_В поверхностного и развития в тело плотины на высоте Н_Н углубленного трещинообразования, при этом угол контакта тела плотины с водой в водохранилище составляет соответственно и (фиг. 2) при постоянном радиусе R=const. В первом случае при эпюра контактных напряжений на высоте Н_В вблизи поверхности воды с телом плотины приобретает седлообразную форму с пиками контактных напряжений вблизи береговой линии, во втором случае - вблизи центра в придонной части плотины, где эпюра контактных напряжений имеет выпуклую параболическую форму с максимум вблизи центра нагруженной водой отвесной стены плотины. Таким образом, вероятным местом максимального развития трещинообразования в теле плотины со стороны контакта с водой водохранилища при постоянном радиусе R тела плотины является прибрежная приповерхностная часть вертикальной стены тела плотины и центральная придонная часть ее вертикальной стены. В этих зонах трещины будут углубляться в тело плотины на глубину - пока угол контакта границы трещинообразования в теле плотины с водой туда поступившей не достигнет величины , где φ°=45° - угол внутреннего трения воды. Данное утверждение базируются на результатах современных научных достижений «Физики материального контактного взаимодействия» [3].

Опыт строительства свидетельствует, что современные марки бетона не обеспечивают предотвращения поверхностного трещинообразования на теле плотины, нагруженной давлением воды и атмосферным давлением со стороны водохранилища, так и с обратной стороны тела плотины, нагруженной атмосферным и гравитационным давлением от собственного веса. Для устранения этого недостатка бетонное тело плотины армируют стальными решетками, повышающими на порядок прочность σ_Т железобетонного тела плотины на растяжение. При этом зависимости для расчета значения σ_Т современных марок железобетона отсутствуют.

Плоская конструкция подошвы фундамента железобетонной плотины способствуют значительному развитию с прибрежной стороны под подошвой контактных напряжений, развивающихся в процессе строительства тела плотины по величине и в направлении к центру фундамента со стороны берегов. Основание фундамента тела плотины требует равномерного распределения давления под фундаментом тела плотины, что может быть достигнуто при его выпуклой в сторону основания форме подошвы.

Причиной аварийности Саяно-Шушенской ГЭС может явиться и перепад уровня воды в водохранилище при резком сбросе воды из водохранилища через эксплуатационные сливные водоводы. Так, при понижении уровня воды в водохранилище с уровня Н_В=237 м до уровня Н=197 м на ΔН=40 м (фиг. 3) давление воды на лопасти вертикально вращающейся турбины ротора гидрогенератора упадет на величину Δр=γ_В·ΔН=0,001·4000=4 (кГ/см²). На ротор с лопастями, вращающийся по инерции с прежней скоростью ω (об/с), что и до понижения уровня воды в водохранилище, за счет накопленной кинетической энергии вращательного движения , где - момент инерции ротора, ω - его угловая скорость, по мере понижения воды в водохранилище будет действовать возрастающая до максимума подъемная сила (как на взлетающий вертолет) P=Δp·F=4·679291=2717,164 т, где F=πD²/4=π·930²/4=679291 см² - опорная площадь лопастей ротора генератора диаметром D=930 см. Вес ротора G=1500 т. Если усилие N обрыва болтового соединения на крышке статора будет составлять величину N=(P-G)=2717-1500=1217 т, то ротор весом 1500 т в заполненном водой статоре взлетит со «взрывом» с колоссальным усилием N, разрушающим конструкцию генератора с почти мгновенным затоплением машинного зала электростанции выдавливаемой вниз воды из-под лопастей ротора. Данный вывод подтверждается аварией 17 августа 2009 г. в машинном зале Саяно-Шушенской ГЭС. С другой стороны, плоская подошва фундамента плотины способствует развитию по краям весьма значительных контактных напряжений с материалом основания плотины.

Технический результат по способу предотвращения аварийности гидроэлектростанции, заключающемуся в том, что монолитное железобетонное тело гравитационной плотины высотой Н₀ м выполняют выпуклым в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия, тело плотины по высоте Н₀ проектируют и изготавливают в продольных горизонтальных сечениях радиусом R (м), который рассчитывают методом модельных испытаний в проточном бассейне и уточняют прочностными расчетами напряженно-деформированного состояния тела плотины с учетом колебаний температуры, упругости заделки пят и шарниров по способу С.В. Соколовского, рассчитывают податливость материала основания фундамента плотины методом Фогта-Тельке, бетонное тело плотины армируют металлическими стальными прутьями, которые сваривают в пространственные решетки, тело плотины снабжают эксплуатационными сливными водоводами с высоты Н_В (см) верхнего бьефа воды в водохранилище до высоты Н_Н (см) нижнего бьефа, турбины генераторов электрического тока устанавливают на уровне Н_Г воды в реке за телом плотины в ее водопропускном канале, на входе эксплуатационный водосброс снабжают подвижными гидрозатворами, статор генератора электрического тока замоноличивают в гнезде тела плотины, ротор генератора крепят в статоре через крышку посредством резьбового соединения болтов и гаек, горизонтальный угол контакта тела арочной плотины на уровне верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище принимают на основании модельных испытаний равным , достигается тем, что угол контакта тела арочной плотины в продольных горизонтальных сечениях с водой водохранилища выдерживают постоянным - const по всей высоте Н₀ тела плотины, а радиус арочного тела плотины со стороны водохранилища выполняют переменным и равным - varir, где - расстояние между берегами реки в продольном вертикальном сечении по высоте Н₀ тела плотины, заполненной водой, - угол внутреннего трения воды, при этом резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора электрического тока и монолитное крепление стакана статора в теле плотины рассчитывают на усилие отрыва N_max=γ_В·(Н_В-H_H)·F-G (кГ), где γ_В=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, (Н_В-Н_Н) (см) - перепад уровней верхнего и нижнего бьефа в водохранилище при сбросе воды по эксплуатационным водоводам, F=π·D²/4 (см²) - площадь поперечного сечения турбины диаметром D (см), G (кГ) - вес турбины с ротором генератора электрического тока, причем угол контакта подошвы фундамента арочной плотины с материалом подстилающего основания в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выдерживают постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания, при равномерном распределении контактных напряжений на боковых сторонах тела плотины при контакте с водой водохранилища и воздухом атмосферы принимают глубину h погружения тела плотины без гравитационного бокового трещинообразования от верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище равной , где - предельно критическое разрушающее бетонное тело плотины давление, С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление бетона, - угол внутреннего трения бетона, р_атм=1,033 (кГ/см²) - атмосферное давление на уровне земной поверхности, γ_Б (кГ/см³) - удельный вес бетона плотины, и без гравитационного трещинообразования от верхнего среза тела плотины с противоположной стороны тела плотины от водохранилища - на глубине , для бетона тела плотины: С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление, γ_Б (кГ/см³) - удельный вес, а за условие отсутствия поверхностного трещинообразования на теле плотины на глубинах h>h_B и h>h_H соответственно со стороны водохранилища и с обратной стороны тела плотины принимают зависимость , где [σ_Т]_ст - допускаемое напряжение текучести при растяжении металла арматуры, для выполнения которого бетонное тело плотины армируют предварительно натянутыми стальными прутками.

Предлагаемое изобретение предотвращает аварийность гидроэлектростанции при водосборе воды в водохранилище путем предотвращения на теле плотины развивающегося поверхностного и глубинного трещинообразования.

Известно устройство предотвращения аварийности водосливной плотины Паркер (США, р. Колорадо, 1938 г.), состоящее из монолитного железобетонного тела плотины высотой Н₀=95 м, выполненной в сторону водохранилища выпуклой в виде арочного перекрытия, тело плотины по высоте Н₀ выполнено в продольных горизонтальных сечениях с постоянным радиусом R=const и армированным металлическими стальными прутками, сваренными в решетки, тело плотины выполнено с эксплуатационными сливными водоводами со стороны водохранилища, турбины генераторов электрического тока установлены в водопропускном канале на уровне воды в реке за телом плотины, на входе эксплуатационный водосброс снабжен подвижными гидрозатворами, стакан статора генератора выполнен замоноличенным в тело плотины и вместе с ротором закрытым крышкой через резьбовое соединение болтов и гаек, при этом угол контакта тела арочной плотины с водой в водохранилище при постоянном радиусе R арки тела плотины равен на уровне Н_В верхнего бьефа воды в водохранилище [1].

Причиной аварийности тела известной плотины может явиться интенсивное развитие поверхностного трещинообразования с боковых сторон тела плотины в ее придонной части. С другой стороны, только достаточный запас прочности резьбового соединения удерживает крышку статора от отрыва со стакана генератора электрического тока и устраняет вылет турбины из стакана его статора при сбросе воды в водохранилище. При этом плоская подошва монолитного фундамента тела плотины способствует развитию значительных краевых пиков контактных напряжений с материалом подстилающего основания, что может привести к потери прочности и устойчивости основания под плоским фундаментом плотины.

Известно устройство предотвращения аварийности Саяно-Шушенской ГЭС на реке Енисей (Россия), состоящее из монолитного железобетонного тела гравитационной плотины высотой Н₀=240 м, выпуклой в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия с постоянным по высоте Н₀ радиусом R=const бетонного тела плотины, выполненного армированным сваренными в решетки металлическими стальными прутьями, эксплуатационных сливных водоводов с высоты Н_В=237 м верхнего бьефа до высоты Н_Н=178 м нижнего бьефа воды в водохранилище, турбин генераторов электрического тока, установленных на уровне Н_Г=16,5 м в водопропускном канале, из установленных на эксплуатационных сливных водоводах подвижных гидрозатворов, гнезд в теле плотины для замоноличенных стаканов статора генератора электрического тока, крышки стакана статоров, крепящейся к нему посредством резьбового соединения болтов и гаек, при этом угол контакта тела арочной плотины с водой в водохранилище составляет по величине на уровне Н_В верхнего бьефа воды плотины у берегов водохранилища и - на уровне Н_Р воды в естественном русле реки, а фундамент плотины выполнен с плоской подошвой и выступающим зубчатым выступом [2].

Недостатком известного способа предотвращения аварийности гидроэлектростанции является то, что угол , равный углу внутреннего трения воды , выдерживается на приповерхностном контакте воды в водохранилище с арочным телом плотины при равномерном распределении контактных напряжений, а с ростом глубины погружения тела плотины в воду водохранилища (при сближении береговых линий) угол уменьшается и становится меньше угла внутреннего трения воды при значительном увеличении контактных напряжений с глубиной у центра тела плотины и росте поверхностного трещинообразования. Значительная высота тела плотины, в свою очередь, вызывает гравитационное трещинообразование на теле плотины с противоположной стороны от водохранилища, при этом для увеличения прочности бетонного тела плотины, даже армированного, необходимо производить предварительное натяжение стальной арматурной сетки.

Резьбовое соединение крышек ротора турбины генератора электрического тока может оказаться недостаточно прочным при растяжении под осевым усилием всплывающего вращающегося ротора генератора в заполненном водой водопропускном канале при перепаде уровней воды в сливаемом водохранилище.

Плоская подошва фундамента тела плотины даже со значительной опорной площадью вызывает развитие от ее краев к центру пиковых контактных напряжений, а те, в свою очередь, развитие за края фундамента плотины зоны линий сдвигов материала подстилающего основания, что может привести к потери прочности основания и его устойчивости.

Технический результат по устройству для предотвращения аварийности гидроэлектростанции, состоящему из монолитного тела гравитационной плотины высотой Н₀ (см), выполненной выпуклой в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия с радиусом R (м) в продольных горизонтальных сечениях, бетонного тела плотины и его фундамента, выполненных армированными пространственными решетками из металлических стальных прутков, эксплуатационных сливных водоводов плотины с высоты Н_В (см) верхнего бьефа воды в водохранилище до высоты Н_Н (см) нижнего бьефа, турбин генераторов электрического тока, установленных на уровне Н_Г воды в реке за телом плотины в ее водопропускном канале, подвижных гидрозатворов плотины на входе эксплуатационного водосброса, статоров генераторов электрического тока, замоноличенных в гнездах тела плотины, крышки стакана статора генератора, крепящейся совместно через резьбовое соединение болтов и гаек, тела арочной плотины, выполненного на уровне верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище под горизонтальным углом , достигается тем, что железобетонное тело арочной плотины выполнено в продольных горизонтальных сечениях по всей высоте Н₀ в сторону водохранилища под углом - const и переменным радиусом - varir, где - расстояние между берегами реки в продольном вертикальном сечении по высоте Н₀ тела плотины, заполненной водой, - угол внутреннего трения воды, при этом резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора электрического тока, замоноличенным в тело плотины, выполняют рассчитанным на усилие отрыва N_max=γ_В·(Н_В-H_H)·F-G (кГ), где γ_В=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, (Н_В-Н_Н) (см) - перепад уровней верхнего и нижнего бьефа в водохранилище при сбросе воды по эксплуатационным водоводам, F=πD²/4 (см²) - площадь поперечного сечения турбины диаметром D (см), G (кГ) - вес турбины генератора электрического тока, причем угол контакта подошвы фундамента арочной плотины с материалом подстилающего основания в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выполнен постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания, а пространственные каркасы решеток арматуры железобетонного тела плотины выполнены сваренными из предварительно натянутых стальных прутков с допускаемым напряжением предела текучести , где - предельно критическое (разрушающее) давление для бетона, С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление бетона, - угол внутреннего трения бетона, р_атм=1,033 (кГ/см²) - атмосферное давление на уровне земной поверхности.

Предлагаемое устройство для предотвращения аварийности гидроэлектростанции позволяет создавать равномерное контактное напряжение по всей боковой поверхности тела плотины, нагруженного давлением воды в водохранилище, а также равномерное контактное напряжение под подошвой фундамента тела плотины, выполненных соответственно под постоянным углом - const контакта с водой водохранилища и под постоянным углом - const контакта с материалом основания фундамента. С другой стороны, предложено устройство каркаса железобетонного тела плотины с предварительно натянутой сеткой стальной арматуры, позволяющей на предложенных условиях устранить на поверхности и в теле плотины трещинообразование. Устройство крепления крышки генераторов электрического тока на резьбовом соединении, рассчитанном по предлагаемой зависимости, гарантирует предотвращение аварийности конструкции плотины в машинном зале.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен план водосливной плотины Паркер (США, Колорадо), на фиг. 2 - план Саяно-Шушенского гидроузла (Россия, р. Енисей), на фиг. 3 - поперечный разрез турбины в водопропускном канале плотины Саяно-Шушенского гидроузла, на фиг. 4 - разрез по водосливу и станционной части плотины и фундаменту здания Саяно-Шушенской ГЭС по предложенному способу и устройству, на фиг. 5 - разрез по арочной плотине и фундаменту здания Чиркейской ГЭС по предлагаемому способу и устройству, на фиг. 6 - схема выпуклой поверхности тела Саяно-Шушенской ГЭС со стороны водохранилища с предлагаемыми продольными горизонтальными разрезами.

Устройство предотвращения аварийности гидроэлектростанции состоит из монолитного железобетонного тела 1 гравитационной плотины высотой Н₀ (м), выполненной выпуклой в сторону водохранилища 2 в виде арочного перекрытия русла реки с переменным радиусом - varir (м) в продольных горизонтальных сечениях, где - расстояние между берегами в продольном вертикальном сечении по высоте Н₀ тела 1 плотины, заполненной водой, - угол внутреннего трения воды. Бетонное тело 1 плотины и его фундамент 3 выполнены армированными стальными пространственными решетками из предварительно натянутых металлических стальных прутьев.

Плотина оснащена эксплуатационными сливными водоводами 4 с высоты H_B (см) верхнего бьефа 5 воды в водохранилище 2 до высоты H_H (см) нижнего бьефа 6, турбинами генераторов 7 электрического тока, установленными на уровне H_Г воды в реке за телом плотины в водопропускных каналах 8. На входе эксплуатационного сливного водовода 4 установлены подвижные гидрозатворы.

Стакан статора генераторов 7 электрического тока замоноличен в гнезде тела 1 плотины, крышка статора генератора крепится к стакану через резьбовое соединение болтов и гаек (не показаны).

Угол контакта подошвы фундамента 3 плотины с материалом подстилающего основания 9 в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выполнен постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания 9 под фундаментом 3.

Способ предотвращения аварийности гидроэлектростанции реализуется предложенным устройством следующим образом. По всей высоте Н₀ со стороны водохранилища 2 арочному телу 1 плотины с переменным радиусом R - varir придают угол контакта с водой водохранилища 2, равный - const. Поверхностное гравитационное трещенообразование в теле 1 плотины ожидают со стороны водохранилища на глубине , где γ_B=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, и с противоположной стороны от водохранилища 2 на глубине , где для бетона плотины: γ_Б (кГ/см³) - удельный вес, - угол внутреннего трения, С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление. С целью устранения гравитационного трещинообразования плотины ее бетонное тело 1 армируют металлическим каркасом из стальных решеток, прутки которых предварительно натягивают, а предел текучести стали прутков решеток принимают , где - предельно критическое (разрушающее) давление для бетона (кГ/см²).

Подошве фундамента 3 тела 1 плотины в поперечном и, по возможности, в продольном вертикальных сечениях придают выпуклую форму в сторону более слабого по прочности основания 9 с углом контакта - const, где - угол внутреннего трения материала основания 9 фундамента 3.

Резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора 8 электрического тока рассчитывают на усилие отрыва N_max=γ_B·(H_B-H_H)·F-G (кГ), где (H_B-H_H) (см) - перепад уровней верхнего 5 и нижнего 7 бьефа в водохранилище 2 при сбросе воды по эксплуатационным сливным водоводам 4F=πD²/4 (см²) - площадь поперечного сечения турбины генератора диаметром D (см), G (кГ) - вес турбины генератора 8 электрического тока.

Пример реализации способа. Арочно-гравитационная Саяно-Шушенская ГЭС имеет высоту верхнего бьефа воды H_B=237 м и нижнего бьефа H_H=178 м воды в водохранилище, оснащена эксплуатационным водосбросом с подвижными гидрозатворами. Арочное тело плотины выполнено с глубинными отверстиями на высоте H_H для водопропускных каналов к турбинам генераторов электрического тока, установленных на высоте Н_Т=16,5 м. При перепаде уровней воды перед генераторами ΔН=Н_В-Н_Т=237-16,5=220 м давление воды на лопасти турбины будет составлять величину p=γ_В·ΔН=0,001-22000=22 (кГ/см²). При раскрутке вертикального ротора турбины под давлением p=22 (кГ/см²) он будет как маховик вращаться с постоянной скоростью ω=const (об/мин) под напором столба воды ΔН. Если открыть затворы эксплуатационных водосбросов и резко понижать уровень воды в водохранилище, например, на 40 м, то давление воды на лопасти вращающейся турбины упадет на Δp=4 (кГ/см²), то турбина с лопастями, как маховик, вращающийся в воде со скоростью ω, по инерции, будет «всплывать» под действием подъемной силы от снятия давления Δp на лопастях Р=Δр·F=4·679291=2717,164 т, где F=πD²/4=π·930²/4=679291 см² - площадь поперечного сечения турбины диаметром D=930 см и весом G=1500 т. Усилие отрыва болтов на крышке стакана статора генератора будет составлять колоссальную величину N=(P-G)=2716-1500=1217 т. При допускаемом напряжении растяжения материала болтов σ_P=12,5 МПа на крышке стакана статора генератора их количество должно быть [n]≥N//([σ_P]·f)≥1217164/(125·113)=86 шт. при площади поперечного сечения болта f=πd²/4=π10⁴/4=78,54 см². При меньшем диаметре болтов, изготовленных из менее прочных марок стали, или меньшем их количестве на крышке стакана ротора генератора крышка может быть сорвана с крепежных болтов, а ротор генератора с лопастями турбины вылететь из статора с подъемным усилием N=1217 т и с ответным реактивным выбросом воды в машинный зал электростанции.

Современные научные расчеты прочности и устойчивости конструкции железобетонного тела плотины Саяно-Шушенской ГЭС высотой Н=240 м не позволяют устранить причины ее поверхностного трещинообразования. Проявившиеся на теле плотины трещины со временем прекратили свое активное развитие, достигнув определенной глубины. Однако в настоящее время наблюдается медленное развитие старых и проявление новых трещин. С позиции «Физики материального контактного взаимодействия» [4] тело железобетонной арочной плотины должно по глубине от верхнего бьефа до дна водохранилища в горизонтальных сечениях иметь переменный радиус боковой поверхности - varir, где - расстояние между краями тела плотины на заданной глубине от поверхности воды, - угол внутреннего трения воды, обеспечивающий отсутствие трещинообразования на поверхности тела плотины и равномерность распределения поверхностных напряжений под давлением воды.

При существующем постоянном по глубине 240 м радиусе R=const тело плотины контактные напряжения σ_K на боковой поверхности со стороны водохранилища распределяются в форме вогнутой параболы с пиками σ_К на теле плотины в прибрежной зоне на приповерхностной глубине и в форме выпуклой параболы с пиками σ_К на теле плотины в придонной зоне у центра тела плотины.

Для марки бетона Р10 тела плотины принимаем его угол внутреннего трения , удельное сцепление С_Б=5 (кГ/см²), удельный вес γ_Б=0,0029 кГ/см³. При растяжении предельно критическое давление бокового поверхностного трещинообразования на теле плотины при и должно составлять величину [5] , а трещины на теле плотины должны проявляться на глубине от верхней точки с незатопленной стороны тела плотины и глубину проявления трещинообразования от верхней точки тела плотины со стороны затопления, где γ_В (кГ/см³) - удельный вес воды.

Трещинообразование на боковой поверхности тела плотины ГЭС проявляется под собственным гравитационным весом в первую очередь с ее задней стороны, свободной от напора воды. Для марок бетона тела плотины Р20…Р35 с прочностью на вертикальное сжатие и осевое растяжение угол внутреннего трения определяют по зависимости , удельное сцепление - по зависимости C_Б=C_стр.Б=(σ_T/2)·sinφ°·tgφ°.

Для отсутствия трещин по высоте тела Саяно-Шушенской плотины, свободной от воды, с углом внутреннего трения бетона прочность на осевое вертикальное растяжение бетона должна составлять величину, равную .

Для лучших марок бетона Р35 величина σ_тБ=280 (кГ/см²), что в 10 раз меньше допускаемых значений . Чтобы достичь значений производится армирование бетона тела плотины стальными прутками с [σ_т]_ст≈28…32 кГ/мм². Гарантией устранения трещинообразования на теле плотины является предварительное натяжение стальной арматуры тела плотины перед заливкой ее металлического сварного каркаса бетоном. В процессе возведения тела плотины по высоте необходимо обеспечивать оперативный контроль натяжения арматуры перед заливкой ее бетоном и размера - переменного радиуса R арки по высоте тела возводимой плотины.

Впервые выявлены реальные причины аварийности Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. и предложен способ и устройство для ее предотвращения в будущем.

Источники информации

1. Гидротехнические сооружения / Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.: Под ред. Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - Рис. XV. 1.6.

2. Гидротехнические сооружения / Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - С. 210-213 (п. 7.4.4).

3. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Часть II. Напряжения и деформации оснований сооружений: Монография. - Тверь: Научная книга, 2007. - С. 68-73.

4. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Ч. I-II. - Тверь: Научная книга. 2004. 2008.

5. Кузьмин П.Г., Ферронский В.И. Проектирование фундаментов по предельным состояниям. - Росвузиздат, 1963. - С. 17.

Группа изобретений относится к области гидротехнического строительства. По предлагаемому способу монолитное железобетонное тело гравитационной плотины высотой Н₀ (см) выполняют выпуклым в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия русла реки. Тело плотины по высоте Н₀ проектируют и изготавливают в продольных горизонтальных сечениях радиусом R (м). Бетонное тело плотины армируют металлическими стальными прутками, которые сваривают в пространственные решетки. Тело плотины снабжают эксплуатационными сливными водоводами с высоты Н_В (см) верхнего бьефа воды в водохранилище до высоты Н_Н (см) нижнего бьефа. Турбины генераторов электрического тока устанавливают на уровне Н_Г воды в реке за телом плотины в ее водопропускном канале. На входе эксплуатационный водосброс снабжают подвижными гидрозатворами. Статор генератора электрического тока замоноличивают в гнезде тела плотины, а ротор генератора крепят в статоре через крышку посредством резьбового соединения болтов и гаек. Горизонтальный угол контакта тела арочной плотины на уровне верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище принимают на основании модельных испытаний равным . При этом угол контакта тела арочной плотины в продольных горизонтальных сечениях с водой водохранилища выдерживают постоянным - const по всей высоте Н₀ тела плотины, а радиус арочного тела плотины со стороны водохранилища выполняют переменным и равным - varir, где - расстояние между берегами в продольном вертикальном сечении по высоте Н₀ тела плотины, заполненной водой, - угол внутреннего трения воды. Резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора электрического тока и монолитное крепление стакана статора в теле плотины рассчитывают на усилие отрыва N_max , которое рассчитывают по математической формуле. Угол контакта подошвы фундамента арочной плотины с материалом подстилающего основания в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выдерживают постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания. При равномерном распределении контактных напряжений на боковых сторонах тела плотины при контакте с водой водохранилища и воздухом атмосферы принимают глубину h погружения тела плотины без гравитационного бокового трещинообразования от верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище равной $$h_{В}\ge p_{В}^{крп}/{\gamma }_{Б}$$ (см), где (кГ/см²) - предельно критическое разрушающее бетонное тело плотины давление, которое рассчитывают по математической формуле, и без гравитационного трещинообразования от верхнего среза тела плотины с противоположной стороны тела плотины от водохранилища - на глубине $$h_{Н}\ge p_{В}^{крп}/\left({\gamma }_{Б}+{\gamma }_{В}\right)$$ (см), где γ_B=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, а за условие отсутствия поверхностного трещинообразования на теле плотины на глубинах h>h_B и h>h_H соответственно со стороны водохранилища и с обратной стороны тела плотины принимают зависимость , где [σ_T]_ст - допускаемое напряжение текучести при растяжении металла арматуры, для выполнения которого бетонное тело плотины армируют предварительно натянутыми стальными прутками. Заявленный способ и получаемое в процессе его осуществления устройство предотвращают аварийность гидроэлектростанции при водосбросе воды в водохранилище путем предотвращения на теле плотины развивающегося поверхностного и глубинного трещинообразования. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ предотвращения аварийности гидроэлектростанции, заключающийся в том, что монолитное железобетонное тело гравитационной плотины высотой Н₀ (см) выполняют выпуклым в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия, тело плотины по высоте Н₀ проектируют и изготавливают в продольных горизонтальных сечениях радиусом R (м), который рассчитывают методом модельных испытаний в проточном бассейне и уточняют прочностными расчетами напряженно-деформированного состояния тела плотины с учетом колебаний температуры, упругости заделки пят и шарниров по способу С.В. Соколовского, рассчитывают податливость материала основания фундамента плотины методом Фогта-Тельке, бетонное тело плотины армируют металлическими стальными прутками, которые сваривают в пространственные решетки, тело плотины снабжают эксплуатационными сливными водоводами с высоты Н_В (см) верхнего бьефа воды в водохранилище до высоты Н_Н (см) нижнего бьефа, турбины генераторов электрического тока устанавливают на уровне Н_Г воды в реке за телом плотины в ее водопропускном канале, на входе эксплуатационный водосброс снабжают подвижными гидрозатворами, статор генератора электрического тока замоноличивают в гнезде тела плотины, ротор генератора крепят в статоре через крышку посредством резьбового соединения болтов и гаек, горизонтальный угол контакта тела арочной плотины на уровне верхнего бьефа Н_В воды в водохранилище принимают на основании модельных испытаний равным , отличающийся тем, что угол контакта тела арочной плотины в продольных горизонтальных сечениях с водой водохранилища выдерживают постоянным - const по всей высоте Н₀ тела плотины, а радиус арочного тела плотины со стороны водохранилища выполняют переменным и равным - varir, где - расстояние между берегами реки в продольном вертикальном сечении по высоте Н₀ тела плотины, заполненной водой, - угол внутреннего трения воды, при этом резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора электрического тока и монолитное крепление стакана статора в теле плотины рассчитывают на усилие отрыва N_max=γ_В·(Н_В-H_H)·F-G (кГ), где γ_В=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, (Н_В-Н_Н) (см) - перепад уровней верхнего и нижнего бьефа в водохранилище при сбросе воды по эксплуатационным водоводам, F=π·D²/4 (см²) - площадь поперечного сечения турбины диаметром D (см), G (кГ) - вес турбины генератора электрического тока, причем угол контакта подошвы фундамента арочной плотины с материалом подстилающего основания в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выдерживают постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания, при равномерном распределении контактных напряжений на боковых сторонах тела плотины при контакте с водой водохранилища и воздухом атмосферы принимают глубину h погружения тела плотины без гравитационного бокового трещинообразования от верхнего бьефа H_B воды в водохранилище равной , где - предельно критическое разрушающее бетонное тело плотины давление, С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление бетона, - угол внутреннего трения бетона, р_атм=1,033 (кГ/см²) - атмосферное давление на уровне земной поверхности, γ_Б (кГ/см³) - удельный вес бетона плотины, и без гравитационного трещинообразования от верхнего среза тела плотины с противоположной стороны тела плотины от водохранилища - на глубине , где γ_B=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, а за условие отсутствия поверхностного трещинообразования на теле плотины на глубинах h>h_B и h>h_H соответственно со стороны водохранилища и с обратной стороны тела плотины принимают зависимость , где [σ_T]_ст - допускаемое напряжение текучести при растяжении металла арматуры, для выполнения которого бетонное тело плотины армируют предварительно натянутыми стальными прутками.

2. Устройство для предохранения гидроэлектростанции от аварийности, состоящее из монолитного тела гравитационной плотины высотой Н₀ (см), выполненной выпуклой в сторону водохранилища в виде арочного перекрытия русла реки с радиусом R (м) в продольных горизонтальных сечениях, бетонного тела плотины и его фундамента, выполненных армированными стальными пространственными решетками из металлических стальных прутков, эксплуатационных сливных водоводов плотины с высоты Н_В (см) верхнего бьефа воды в водохранилище до высоты Н_Н (см) нижнего бьефа, турбин генераторов электрического тока, установленных на уровне Н_Г воды в реке за телом плотины в ее водопропускном канале, подвижных гидрозатворов плотины на входе эксплуатационного водосброса, статоров генераторов электрического тока, замоноличенных в гнездах тела плотины, крышки стакана статоров генераторов, крепящейся совместно через резьбовое соединение болтов и гаек, тела арочной плотины, выполненного на уровне верхнего бьефа H_B воды в водохранилище под горизонтальным углом , отличающееся тем, что железобетонное тело арочной плотины выполнено в продольных горизонтальных сечениях по всей высоте Н₀ в сторону водохранилища под углом - const и переменным радиусом - varir, где - расстояние между берегами реки в продольном вертикальном сечении по высоте H₀ тела плотины заполненной водой, - угол внутреннего трения воды, при этом резьбовое соединение крышки ротора со стаканом статора генератора электрического тока, замоноличенным в тело плотины, выполняют рассчитанным на усилие отрыва N_max=γ_B·(H_B-H_H)·F-G (кГ), где γ_B=0,001 (кГ/см³) - удельный вес воды, (H_B-H_H) (см) - перепад уровней верхнего и нижнего бьефа в водохранилище при сбросе воды по эксплуатационным водоводам, F=π·D²/4 (см²) - площадь поперечного сечения турбины диаметром D (см), G (кГ) - вес турбины генератора электрического тока, причем угол контакта подошвы фундамента арочной плотины с материалом подстилающего основания в поперечных и, по возможности, в продольных вертикальных сечениях выполнен постоянным - const, где - угол внутреннего трения материала основания, а пространственные каркасы решеток арматуры железобетонного тела плотины выполнены сваренными из предварительно натянутых стальных прутков с допускаемым напряжением предела текучести , где - предельно критическое (разрушающее) давление для бетона, С_Б (кГ/см²) - удельное сцепление бетона, - угол внутреннего трения бетона, р_атм=1,033 (кГ/см²) - атмосферное давление на уровне земной поверхности.