Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях


Основы технико-экономического выбора варианта плотины и оптимальных параметров водосбросов

При составлении проекта гидроузла одним из основных является вопрос о выборе оптимального варианта плотины. Для сравниваемых вариантов определяют сроки строительства, капиталовложения по годам строительства, эксплуатационные издержки. Сроки строительства и капиталовложения определяют в процессе проектирования составлением календарных графиков и сметно-финансовых расчетов, эксплуатационные издержки принимают по рекомендациям нормативных документов или соответствующими дополнительными расчетами.

Каждый из сравниваемых вариантов должен быть представлен в оптимальном виде с объемами работ, соответствующими одинаковой степени надежности этих сооружений и одинаковой степени удовлетворения условиям эксплуатации. Если сравниваемые варианты плотин оказывают влияние на стоимость других сооружений, входящих в комплекс гидроузла, в частности здания ГЭС, для выбора типа плотины сравнивают расчетные затраты по всему гидроузлу. Если же тип плотины не оказывает влияния на остальные сооружения гидроузла, для выбора варианта сравнивают только расчетные затраты по плотинам.

Сравниваемые варианты должны обеспечивать одинаковую гарантированную мощность, выработку ГЭС электроэнергии и т. д. Если они не удовлетворяют этим условиям, в расчетных затратах должны быть учтены дополнительные затраты по другим электростанциям, компенсирующим отклонения по мощности и выработке энергии.

При выборе вариантов грунтовых плотин следует иметь в виду, что существенное влияние на внешний профиль плотины и технико-экономические показатели оказывают тип и параметры противофильтрационных элементов. От них зависят потери воды из водохранилища вследствие ее фильтрации через тело и основание этих плотин, а следовательно, они влияют на эксплуатационные параметры проектируемого гидроузла (гарантированную мощность, выработку и др.). При сравнении вариантов должны быть учтены и эти обстоятельства.

При расчете водосбросов исходят из условий, что пропуск расхода паводка или половодья расчетной вероятности превышения должен производиться при НПУ в нормальных условиях эксплуатации, с нормальными запасами прочности и устойчивости и запасами незатопляемых отметок плотины и других неподпорных сооружений.

Вероятность превышения сбросного расхода для нормальных условий эксплуатации гидроузлов принимается. Коэффициент сочетания нагрузок пс в расчетах прочности и устойчивости принимается в этом случае равным 1. Учитывают также возможность чрезвычайных условий эксплуатации, пропуска еще большего расхода с вероятностью превышения для гидроузлов. В таких условиях эксплуатации допускается кратковременное повышение уровня верхнего бьефа до ФПУ, уменьшение запасов над ФПУ незатопляемых отметок плотины и других подпорных сооружений по сравнению с нормальными. При этом из-за повышения сбросных расходов воды учитывается и кратковременное повышение уровня нижнего бьефа.

Необходимость повышения отметки гребня плотины при пропуске расходов воды в чрезвычайных условиях определяется из условий поддержания минимальных за-пасов незатопляемых отметок над ФПУ и недопущения переплескивания воды через гребень плотины.

Необходимость увеличения размеров плотины проверяется статическими расчетами в чрезвычайных условиях ее эксплуатации: при напоре, определяемом ФПУ, и коэффициенте сочетания нагрузок пс = 0,9.

Часто водосбросные сооружения, рассчитанные на пропуск расчетного расхода в нормальных условиях эксплуатации при НПУ, оказываются достаточными и пропускают повышенный расход в чрезвычайных условиях эксплуатации с учетом его трансформации при допустимом форсировании уровня верхнего бьефа. Если через; отверстия, намеченные для пропуска расчетного расхода, невозможно пропустить поверочный расход, допускаются два варианта решения этой задачи.

Первый вариант — поверочные расходы пропускать, через отверстия, определенные для расчетного расхода, с соответствующим увеличением форсирования горизонта воды в водохранилище, изменением отметки гребня и. параметров профиля плотины.

Второй вариант — увеличить размеры отверстий и пропускную способность водосброса при НПУ и соответственно снижать отметку ФПУ при пропуске поверочного расхода.

Выбор варианта основывается на технико-экономическом сравнении.

Определение оптимальных параметров водосбросов. Основными конструктивными параметрами водосброса, являются размеры водосбросных отверстий, т. е. ширина; водосливного фронта и максимальный напор на пороге- водослива (при попуске расчетного паводка через поверхностные водосбросы), ширина и высота отверстий (при пропуске -его через глубинные отверстия).

При разных размерах водосбросных отверстий и прочих равных условиях для пропуска расчетного расхода с вероятностью превышения, соответствующей чрезвычайным условиям, требуются различное форсирование; уровня воды в водохранилище, а следовательно, и различные отметки гребня плотины. При этом по-разному трансформируется паводок в водохранилище, соответствующий чрезвычайным условиям, изменяются значения расчетных сбросных расходов воды и связанные с ними мероприятия по гашению в нижнем бьефе энергии сбрасываемого потока. Отсюда следует, что выбор оптимальных размеров водосброса есть комплексная задача, и она должна решаться с учетом всех вышеизложенных обстоятельств на основе технико-экономического сопоставления вариантов.

Для выяснения роли и влияния каждого из факторов необходимо рассмотреть несколько вариантов водосбросов с различными параметрами отверстий и дать экономическую оценку изменяемым частям сооружений в каждом варианте. Окончательный выбор оптимальных значений параметров водосброса в общем случае определяется минимумом приведенных затрат по всем изменяемым частям сооружения:

Если изменяемые части сооружения имеют равный процент амортизационных отчислений и эксплуатационных издержек, выбор параметров определяется минимумом капиталовложений

При этом для каждого варианта предварительно необходимо выполнить гидравлические расчеты по пропуску расчетного паводка с учетом трансформирующей способности водохранилища и определить величины форсирования уровня, общего и удельного расходов с вероятностью превышения, соответствующей классу сооружения.

Разберем более подробно задачу о выборе оптимальных размеров поверхностного водослива при размещении его в русле реки в общем фронте напорных сооружений. При этом могут встретиться три случая:

1) ширина водосливного фронта определена условиями общей компоновки и требуется определить оптимальную отметку порога;
2) известна отметка порога водосброса, требуется определить оптимальную ширину водосливного фронта;
3) ни один параметр заранее не известен, требуется определить оптимальные их значения.

Рассмотрим по порядку эти задачи. При их решении вследствие малого удельного веса капитальных вложений по затворам разницей процентов амортизационных отчислений можно пренебречь.

1. Выбор оптимальной отметки порога водослива при постоянной ширине водосливного фронта. Повышение отметки порога связано, с одной стороны, с увеличением величины форсировки уровня водохранилища и в ряде случаев с ростом затрат по плотине и водохранилищу, а с другой — с уменьшением сбросных расходов через водослив (за счет увеличения трансформирующей способности водохранилища) и снижением затрат по затворам и крановому оборудованию водосброса, водобойным устройствам и креплениям в нижнем бьефе.

Стоимость плотины может увеличиться за счет повы-шения ФПУ и отметки ее гребня.


Рис. 10.3. Зависимость стоимости изменяемой части сооружений от отметки порога водосброса (при постоянной ширине водосливного фронта)

Стоимость водохранилища увеличивается за счет повышения затрат по подготовке ложа водохранилища и компенсаций, связанных с затоплением.

Стоимость оборудования по водосбросу снижается за счет уменьшения высоты и веса затворов, а также снижения грузоподъемности кранового оборудования.


Стоимость крепления в нижнем бьефе снижается за счет уменьшения толщины и длины водобойной плиты и объемов креплений по рисберме и в целом по нижнему бьефу.

Кроме того, могут изменяться стоимости и по некоторым другим сооружениям, в частности, по перемычкам, водоприемникам, шлюзам.

Для общего случая обозначим через изменение капиталовложений соответственно по водосливному участку плотины, глухому участку плотины, водохранилищу, оборудованию, креплениям в нижнем бьефе и прочим сооружениям. В частных случаях отдельные составляющие АК могут отсутствовать. Далее выполняют гидравлические расчеты пропуска расчетных расходов при различных вариантах порога водослива и определяют при этом капиталовложения в изменяемые части сооружений.

Из условия получаем оптимальную отметку порога, для чего строим график соответствующей зависимости

Пример такого решения для конкретной плотины дан на рис. 10.3.

За минимальную отметку порога водослива можно принять ту, при которой обеспечивается транзитный пропуск расходов расчетной обеспеченности при НПУ без форсирования.


2. Выбор оптимальной ширины водосливного фронта при одинаковой отметке порога водослива. Уменьшение ширины водосливного фронта связано, с одной стороны, с уменьшением общей длины водосливной части плотины и соответственно ее стоимости, а с другой — с ростом величины форсировки уровня водохранилища, удельных сбросных расходов и соответственно удельных затрат на 1 м длины водосливного участка плотины, водобойных устройств, подготовку ложа водохранилища, а также затрат по глухой части плотины, заменяющей сокращаемый водосливный участок.

Оптимальное решение находится так же, как и в предыдущем случае, из условия при переменной ширине водосливного фронта, для чего строится график соответствующей зависимости


За максимальную ширину водосливного фронта можно принять ту ее величину, которая достигается условиями компоновки всех сооружений с учетом пропуска строительных расходов при допустимом стеснении русла перемычками.

3. Выбор оптимальных значений отметки порога водослива и ширины водосливного фронта. В этом случае имеет место суммарное влияние всех факторов, указанных в предыдущих случаях. Решение задачи рекомендуется осуществлять постепенно, с разбивкой ее на два этапа.

На первом этапе (рис. 10.4) определяют оптимальные отметки порога водослива для нескольких значений ширины водосливного фронта в порядке, изложенном для 1-го случая.


При выборе компоновки и типов сооружений обычно рассматривают несколько вариантов водосбросных сооружений. Так, при компоновках с плотинами из грунтовых материалов могут рассматриваться варианты с русловыми участками водосливной бетонной плотины; с водосбросами русловыми глубинными, береговыми — быстротоками, туннельными и другими видами.

В вариантах с бетонными плотинами могут рассматриваться поверхностные водосливы с затворами и без них и глубинные водосбросы с различными вариантами гашения энергии в нижнем бьефе — водобойными устройствами, отбросом струи, а также сифонные водосбросы.

Для сравнения этих вариантов необходимо, чтобы каждый из них был представлен с оптимальными размерами этих сооружений. Выбор типа водосбросных сооружений следует разбить на два этапа.

На первом этапе оптимизируют параметры сооружений различных типов, а на втором — сравнивают оптимизированные варианты водосбросных сооружений и делают окончательный выбор.

Сравнение и выбор вариантов водосбросных сооружений проводят или по минимуму капиталовложений, или по минимуму приведенных затрат исходя из общих принципов, изложенных в § 10.

При сравнении поверхностных и глубинных водосбросов следует иметь в виду разную степень изменения их пропускной способности при изменении уровней воды в верхнем бьефе. Глубинные водосбросы позволяют в случае необходимости срабатывать водохранилище до отметок заложения отверстий, поэтому целесообразно в разумных пределах допускать одновременное наличие в сооружениях тех и других водосбросов. Поверхностные водосбросы будут обеспечивать определенный запас пропускной способности, а глубинные — возможность сработки в аварийных ситуациях.

Окончательный выбор определяется технико-экономическим сравнением с учетом изложенных обстоятельств.

Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства: Учеб. для вузов. Д. С. Щавелев, М. Ф. Губин, В. Л. Куперман, М. П. Федоров; Под общ. ред. Д. С. Щавелева. — М.: Стройиздат, 1986. — 423 с.

??????????

??????? ?.?., ??$B!`(B?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????????????? ???????????

?????? ?.?., ???????????? ??????????? ?????????? ????????????

?.?. ???????, ????????????? ???????????

?.?. ???????, ???????? ?????? ?? ??????? ???????????

?. ???????, ????????$B!`(B????? ???????????? ???????????

???????? ?.?., ??????????? ?.?., ???????? ?.?., ???????????????? ?????????? ???????????

?.?. ???????, ?????????? ???????????

?.?. ?????????, ?. ????, X. ???????, ????? ???????????? ?????

?.?. ???????, ?????? ???????

?????? ?.?., ??????????: ??? ??? ???????? ? ??? ??? ??$B!`(B?????

?. ????????, ???????????? ????????????? ???????????? ??????

?.?. ???????, ?????????????$B!`(B????? ?????????

?.?. ???????, ????????? ??????????$B!`(B?????? ? ?????????????????? ?????????????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. I. ?????? ???????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. II. ??????????? ???????

???????????? ??????????$B!`(B????? ?????

?.?. ???????, ??????????$B!`(B????? ??????????

?. ?. ????, ????????????????

????????????$B!`(B????? ??????????????? ???????

????????????? ?????????????? ???????

????? ? ???????????, ????????? ??????

??????????? ????????? ? ??????????? ???????? ??????????