Как спастись от Саяно-Шушенской ГЭС?

Еще в прошлом веке специалисты настойчиво предлагали обратить внимание на проблемы безопасности Саяно-Шушенской ГЭС, без решения которых нельзя подписывать акт о приемке станции в эксплуатацию. В 2000 году приемочный акт был подписан, в 2009 году на СШГЭС произошла трагедия. Выдержит ли станция паводок 2010 года? Еще в 1996 году кандидат технических наук П.Хлопенков предложил оригинальный способ многопоточного водосброса для Саяно-Шушенской ГЭС. Предлагаем вашему вниманию полный вариант его статьи в журнале "Изобретатель и рационализатор" (№8, 1996):

Как спасти Саяно-Шушенскую ГЭС? Как от нее спастись?

Самая крупная в нашей стране Саяно-Шушенская ГЭС все еще не принята в эксплуатацию и вот уже почти 10 лет работает по временной схеме из-за неудовлетворительного состояния сбросов паводковых вод.

В 1985 г. пропуск паводка на станции был впервые осуществлен по эксплуатационной схеме, то есть через сбросы верхнего яруса (два нижних предусмотрены для пропуска паводков в строительный период) и напоре, близком к расчетному в 220 м. Провал! Было разрушено свыше 30 тыс.м3 конструкций водобоя 1 и скального основания, что угрожало потерей устойчивости плотины, и разделительной стенки 2, расположенной между энергетической и водосборной частями станции (рис.1 в).

Комиссия Минэнерго, составленная из ведущих в этой области специалистов, пришла к выводу, что главная причина интенсивных разрушений здесь связана с тем, что при определении расчетных нагрузок на гасители проектанты ошиблись «всего-навсего» в 2,5 раза.

Единственно правильным было бы за счет принципиально новых решений многократно снизить нагрузки от сверхмощных паводковых сбросов на конструкции водобоя. Но разработчики уверяли, что восстановить надежность можно, просто усилив крепление гасителей энергии паводковых сбросов.

В результате, как и следовало ожидать, громадные затраты на устранение разрушений оказались напрасными, и в следующий паводок, причем даже с меньшими расходами (всего 40% от расчетных), такие же разрушения в наиболее опасной приплотинной зоне повторились, еще и усилились (за втрое более короткий срок).

В конце 1988 г. Минэнерго постановило: снизить расчетные расходы в существующей водосборной системе почти на 40%, проложив дополнительный водосброс туннельного типа. Но до реализации этого решения дело не дошло: стоимость такого туннеля — порядка 300 млрд. руб. в современных ценах. В результате все еще сохраняется аварийное состояние СШ ГЭС, а при разрушении разделительной стенки (длиной свыше 200 м и высотой около 50 м) полностью выйдет из строя не только система водосбросов, но и энергетическая часть станции.

Как говорится, не дай Бог, но если это произойдет, образуется волна прорыва высотой 220 м, что в сочетании с громадными расходами перетока запасов водохранилища СШ ГЭС в нижерасположенное приведет к разрушению напорного фронта и Красноярской ГЭС, поскольку ее плотина перегрузок свыше 40% не выдерживает в соответствии с действующими нормами, а фактические перегрузки будут выше расчетных в 3 — 4 раза.

Как следствие, ниже Красноярской ГЭС образуется новая, еще более опасная волна прорыва высотой около 200 м и объемом обвального сброса 110 млрд. кубометров. Это запас двух водохранилищ, что равнозначно полугодовому стоку Волги. Это неизбежно приведет к затоплению Красноярска и всех населенных пунктов ниже по течению Енисея.

Но этого мало. Выброс в Арктику такого количества воды нанесет катастрофический удар по ее экологии. И не только по экологии! При таких залповых сбросах возможно образование волны, аналогичной цунами. К сведению — для этого нужны лишь три основных фактора: мощный возмущающий толчок, большие глубины и площади водной поверхности. Все это имеется. В результате могут пострадать побережья Исландии, Норвегии, Канады, Аляски, Гренландии.

Что делать?

Многократно снизить силовое воздействие паводковых сбросов на скальное основание и конструкции рядом с плотиной с минимальными затратами.

Сегодня существуют три основных способа сопряжения бьефов (рис.1). В первом из них (а) поток отбрасывается трамплином и сопрягается с нижним бьефом под углом менее 15°. В этом случае поток скользит по поверхности воды нижнего бьефа с громадной скоростью, из-за чего ниже по течению образуется высокая волна, разрушающая берега и мешающая движению судов на подходе к гидроузлу. На крупных высоконапорных гидроузлах это неприемлемо. При втором способе сопряжение осуществляется под углом более 30° (б), при этом поток ударяет в дно, разрушая скалу и конструкции на глубине до 80 м, что угрожает потерей устойчивости плотины.

И, наконец, третий способ, примененный на СШ ГЭС (в). Поток гасится в глубоком водобойном колодце в зоне, непосредственно примыкающей к плотине. Но это делает недопустимыми любые, даже незначительные разрушения скального основания и конструкций в зоне колодца: плотина опять же может потерять устойчивость. При этом наиболее уязвимыми для такого способа сопряжения являются как раз плотины Саяно-Шушенского типа, то есть арочно-гравитационные.

Я же предлагаю четвертый способ: запустить потоки так, чтобы они гасили друг друга (а.с. № 1 686 066, 1 691 462, 1 728 350). Надо сделать так, чтобы соударяющиеся потоки проникали друг в друга на всю глубину, то есть сопрягались под углом более 30°, но, с другой стороны, они не должны перекрывать друг друга после взаимного гашения их энергий, дабы беспрепятственно следовать в сторону нижнего бьефа единым объединенным потоком. Для этого угол их соударения не должен превышать 60°.

Я разработал два варианта такого водосброса и аж шесть конструктивных схем, с учетом особенностей водосборной системы данного гидроузла. В первом, трехпоточном, варианте (рис.2) основная энергия гасится на поверхности воды в колодце, для чего средний поток необходимо направить на эту поверхность под углом менее 15°, так он не уйдет в глубину в сторону крепления водобоя, а будет скользить по поверхности воды. Верхний поток сопрягается со средним оптимально, под углом 50°, — они взаимно гасятся и, слившись воедино, беспрепятственно двигаются вниз по течению с многократно уменьшенной скоростью.

На СШ ГЭС такая трехпоточная схема может быть осуществлена очень просто: надо раскрыть закрытые «пробками» отверстия всех трех ярусов водосбросов— и строительные, и эксплуатационный. В этом случае расчетные расходы в каждом из ярусов снижаются втрое, что позволит также, что очень важно, в три раза снизить и высоту затворов, и выполнить их без пазов (а.с. № 673 695), а это дополнительно снизит нагрузки в системе водосбросов.

Во втором, двухпоточном, варианте экранирования энергия потоков гасится около поверхности воды в колодце (рис.3), в зависимости от ее высоты. При этом для данных режимов оптимальный угол соударения двух потоков — 40°. В этом случае высота затворов снижается лишь вдвое. Но эти затворы несложно изготовить в заводских условиях и закрепить их на напорной грани плотины.

Этот принципиально новый метод гашения энергии паводковых сбросов позволяет не только в 14 раз снизить гидронагрузки в водобое, но более чем на порядок уменьшить и необходимые на реконструкцию средства, по сравнению с устройством дополнительного водосбросного туннеля по рецепту Минэнерго, уменьшающему нагрузки лишь на 40%. Достоверность этого доказана на специально выполненной установке и подтверждена представительной комиссией Минэнерго. Оба варианта позволяют в 2—4 раза снизить дальность отброса верхнего потока для снижения распыления влаги в атмосферу, что особенно важно для северных районов.

Второй вариант позволяет также на 9 м снизить глубину воды в колодце за счет среза верха водобойной стенки, как это показано на рисунке За, что даст возможность, наряду с уменьшением на порядок гидродинамических и пульсационных нагрузок на разделительную стенку, еще и вдвое снизить гидростатические нагрузки на нее, чем будет в полном объеме восстановлена ее надежность. Будем ждать решения властей.

Новый метод многопоточного водосброса можно и нужно использовать на любых высоконапорных мощных ГЭС, как эксплуатирующихся, так и новых. Недаром им уже заинтересовались китайцы. Так, решение высоко оценил проф. Чен Цзаохэ, член Китайского комитета МАГИ, крупнейший специалист-гидроэнергетик.

П.ХЛОПЕНКОВ, к.т.н.
журнал "Изобретатель и рационализатор", №8, 1996 г., стр. 8-9