Саяно-Шушенская ГЭС

Саяно-Шушенская гидроэлектростанция имени П. С. Непорожнего – крупнейшая по установленной мощности электростанция России, шестая среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире. Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем и Хакасией, у посёлка Черёмушки, возле Саяногорска. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС, начатое в 1963 году, было официально завершено только в 2000 году.

В 1956-1960 годах «Ленгидроэнергопроектом» была разработана схема гидроэнергетического использования верхнего Енисея, в ходе работы над которой была установлена целесообразность использования падения реки в районе Саянского коридора одной мощной ГЭС, что позволяло создать водохранилище с ёмкостью, достаточной для сезонного регулирования.

В 1962-1965 годах Ленинградский проектный институт «Ленгидропроект» разработал проектное задание для Саяно-Шушенской ГЭС. В ходе проектирования рассматривались варианты компоновки будущего гидроузла с каменно-набросной, бетонной гравитационной, арочной и арочно-гравитационной плотиной.

Из всех возможных вариантов наиболее предпочтительным оказался вариант с арочно-гравитационной плотиной. Например, вариант с каменно-набросной плотиной, потенциально несколько более дешёвый, был отвергнут по причине необходимости строительства крупных тоннельных водосбросов, требовавших сооружения сложных в эксплуатации двухъярусных водоприёмников и создававших тяжёлый гидравлический режим реки в нижнем бьефе.

Проектное задание Саяно-Шушенской ГЭС было утверждено Советом Министров СССР в 1965 году и предусматривало сооружение ГЭС с 12 гидроагрегатами мощностью по 530 МВт с подводом воды по типу использованного на Красноярской ГЭС, расположенными в здании ГЭС, по центру арочно-гравитационной плотины, и двумя поверхностными водосбросами без водобойных колодцев слева и справа от здания ГЭС, предусматривавших гашение энергии потока воды в яме размыва в нижнем бьефе.

В ходе работы над техническим проектом конструктивная схема отдельных элементов гидроузла, зафиксированная в проектном задании, подверглась изменению. В 1968 году по предложению Министерства энергетики СССР и заводов-производителей оборудования было решено увеличить единичную мощность гидроагрегатов до 640 МВт, что позволило уменьшить их количество до 10; кроме того, было принято решение об использовании однониточных трубопроводов и одноподводных спиральных камер, в результате чего удалось существенно уменьшить длину здания ГЭС. Также в связи со значительными прогнозируемыми размерами воронки размыва и возможным развитием ряда неблагоприятных процессов в нижнем бьефе было принято решение об отказе от предусмотренной проектным заданием схемы водосбросных сооружений с гашением потока в воронке размыва в пользу водосброса с водобойным колодцем, расположенного в правой части гидроузла.

11 января 1971 года технический проект Саяно-Шушенской ГЭС был утверждён коллегией Минэнерго СССР.

Подготовительный этап строительства Саяно-Шушенской ГЭС начался в 1963 году со строительства дорог, жилья для строителей и других объектов инфраструктуры. Согласно проектному заданию, строительство ГЭС предполагалось осуществить в 1963-1972 годах.

Непосредственные работы по сооружению собственно ГЭС были начаты 12 сентября 1968 года с отсыпки перемычек котлована первой очереди.

После осушения котлована 17 октября 1970 года в основные сооружения станции был уложен первый кубометр бетона. К моменту перекрытия Енисея, осуществлённого 11 октября 1975 года, были построены основание водосбросной части плотины с донными водосбросами первого яруса, значительная часть водобойного колодца и рисберма. После перекрытия реки были развёрнуты работы по сооружению левобережной части плотины со зданием ГЭС. Вплоть до 1979 года сток реки пропускался через 9 донных водосбросов, а также поверх строящейся водосбросной части плотины через так называемую «гребёнку», образованную наращиванием нечётных секций плотины по отношению к чётным.

Первый гидроагрегат Саяно-Шушенской ГЭС (со сменным рабочим колесом) был поставлен под промышленную нагрузку 18 декабря 1978 года.

Отставание в темпах строительства ГЭС, в частности, в темпах укладки бетона, привело к чрезвычайному происшествию во время пропуска половодья 1979 года. Предполагалось использовать только водосбросы второго яруса (донные водосбросы первого яруса подлежали заделке). Однако из-за больших объемов паводковых вод возникла необходимость использования также и открытых водосливов, образованных за счёт штрабления нечётных секций водосбросной части плотины. Тем не менее, к началу половодья 1979 года водосбросной участок плотины не был подготовлен к пропуску воды и в этом варианте – в необходимые для безопасного пропуска половодья сооружения не было уложено более 100 000 м³ бетона. В результате 23 мая 1979 года при пропуске половодья произошёл перелив воды через раздельную стенку и затопление котлована ГЭС с введённым уже в строй гидроагрегатом № 1. Перед затоплением гидроагрегат был остановлен и частично демонтирован, что позволило после откачки воды восстановить его работоспособность. Но все же понадобилось время для восстановления гидроагрегата – откачка воды из здания ГЭС, осушка, ремонтно-восстановительные работы. В ходе восстановительных работ был сооружён бетонный барьер вокруг гидрогенератора, произведена герметизация ограждающих конструкций. Повторно гидроагрегат № 1 был включен в сеть 20 сентября 1979 года.

Ввод гидроагрегата № 2 (также со сменным рабочим колесом) был произведён 5 ноября 1979 года, гидроагрегата № 3 со штатным рабочим колесом – 21 декабря 1979 года.

К этому времени начали возникать проблемы со строительными конструкциями плотины ГЭС. При заполнении водохранилища возникли трещины в бетоне плотины. Имели место значительные по объёму кавитационные разрушения в водосбросах второго яруса и попусковом водосбросе первого яруса. Это было связано как с недостаточно продуманными проектными решениями, так и с отступлениями от проекта при строительстве и эксплуатации водосбросов. В частности, согласно проекту временные водосбросы второго яруса планировалось использовать в течение 2-3 лет, однако из-за затягивания строительства фактически они использовались 6 лет.

В 1980 году были пущены гидроагрегаты № 4 и № 5 (29 октября и 21 декабря), 6 ноября 1981 года – гидроагрегат № 6. Оставшиеся гидроагрегаты были пущены в 1984 году (№ 7 – 15 сентября и № 8 – 11 октября) и в 1985 году (№ 9 – 21 декабря, № 10 – 25 декабря). К началу половодья 1985 года были заделаны водосбросы второго яруса и введена в работу часть эксплуатационных водосбросов. В 1987 году временные рабочие колёса гидроагрегатов № 1 и № 2 были заменены на постоянные. К 1988 году строительство ГЭС было в основном завершено, в 1990 году водохранилище было впервые заполнено до отметки НПУ. В постоянную эксплуатацию Саяно-Шушенская ГЭС была принята 13 декабря 2000 года.

И в процессе строительства Саяно-Шушенской ГЭС, и в процессе ее эксплуатации возникали проблемы, как со строительной (бетонной) частью станции, так и с оборудованием гидроагрегатов.

Проблемы с водобойными колодцами.

Первые, небольшие и относительно легко устранённые повреждения водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС были зафиксированы в 1980-1981 годах. Разрушения были вызваны попаданием в водобойный колодец горной породы, кусков бетона и строительного мусора, нарушениями в технологии строительства, непроектными режимами работы водосбросов.

Более серьезные проблемы возникли при пропускании через водосбросы паводковых вод в штатном режиме. Конструкция и качество строительства водобойных колодцев оказались не способными работать в штатном режиме.

Так в 1985 году перед пропуском половодья водобойный колодец был осушен, обследован и очищен, значительных повреждений в нём обнаружено не было. После пропуска половодья, в ноябре 1988 года при осмотре водобойного колодца было выявлено наличие в нём значительных разрушений. На площади около 70 % поверхности дна колодца плиты крепления были полностью разрушены и выброшены потоком за водобойную стенку. На площади, составляющей порядка 25 % от общей площади дна колодца, были разрушены все плиты крепления, бетонная подготовка и скала на глубину от 1 до 6 м ниже основания плит.

Причины разрушения изучались различными комиссиями, объединяя выводы которых, можно отметить следующее.

Плиты, покрывавшие дно водобоя, были плохо закреплены. Между ними оставались незагерметизированные трещины, в которые проникала вода. При починке кавитационных повреждений водобойного колодца в 1981 году бетонная пломба была выполнена из некачественного бетона, места ее сопряжения с плитами крепления не были загерметизированы. Кроме того, при открытии затворов водосброса были использованы непроектные схемы сосредоточенного сброса воды в водобойный колодец.

При ремонте водобойного колодца вместо плит толщиной 2,5 м были уложены блоки толщиной 4 – 8 м. Устойчивость блоков обеспечивалась за счёт их веса, цементации основания и использования анкеров. При этом разборка старого крепления и подготовка основания для нового проводилась с широким использованием буровзрывных работ.

В 1987 году эксплуатационные водосбросы не использовались. В 1988 году для пропуска летнего паводка с 15 июля по 19 августа открывалось до пяти эксплуатационных водосбросов, максимальный расход достигал 5450 м³/с. После осушения колодца в сентябре 1988 года были обнаружены значительные разрушения его днища в центральной части. Общая площадь повреждений составила 2250 м², что соответствует примерно 14 % общей площади дна колодца. В зоне наибольших разрушений площадью 890 м² бетонное крепление было разрушено полностью, до скального грунта, с образованием в последнем воронки размыва. Бетонные блоки крепления весом до 700 тонн каждый были либо разрушены, либо отброшены потоком к водобойной стенке.

Причиной разрушения водобойного колодца являлось образование трещин в блоках первой очереди реконструкции в ходе подготовки основания под блоки второй очереди с применением широкомасштабных буровзрывных работ. Проникновение воды под давлением в трещины через открытые швы между блоками привело к разрушению повреждённых блоков первой очереди, что в свою очередь привело к отрыву от основания неповреждённых блоков второй очереди, часть из которых (толщиной 6 м и более) к тому же не была закреплена анкерами. Усугубило ситуацию включение водосбросов 43 и 44 секций с полным открытием затворов 1 августа 1988 года, что привело к концентрации сбросов на «потревоженной», но ещё находившейся на месте части крепления, после чего в короткие сроки произошло разрушение крепления.

Разрушения в водобойном колодце после паводка 1988 года устранялись путём установки блоков, аналогичных блокам первой и второй очереди, но с герметизацией швов металлическими шпонками и обязательной установкой анкеров. Кроме того, во всех сохранившихся блоках крепления второй очереди толщиной 6 метров и более также устанавливались анкера из расчёта один анкер на 4 м² площади. Была проведена цементация швов блоков всех трёх очередей. Взрывные работы при подготовке основания для установки блоков были исключены. Работы по реконструкции водобойного колодца были завершены к 1991 году, всего было уложено 10 630 м³ бетона, установлено 221 т пассивных анкеров и сеток и 46,7 т (300 шт.) предварительно-напряжённых анкеров. После завершения реконструкции, в ходе дальнейшей эксплуатации значительных разрушений в водобойном колодце не наблюдалось.

После выявления повторных разрушений в водобойном колодце в 1988 году было предложено, с целью снижения нагрузок на водобойный колодец, рассмотреть возможность сооружения дополнительного водосброса тоннельного типа пропускной способностью 4000-5000 м³/с.

Строительство берегового водосброса было начато 18 марта 2005 года. Строительные работы по сооружению первой очереди берегового водосброса, включающей входной оголовок, правый безнапорный туннель, пятиступенчатый перепад и отводящий канал, были завершены к 1 июня 2010 года. Гидравлические испытания первой очереди были проведены в течение трёх дней, начиная с 28 сентября 2010 года. Завершение строительства берегового водосброса намечено на 2011 год.

Повышенный уровень фильтрации через напорный фронт.

После наполнения водохранилища до отметки НПУ в 1990 году резко увеличился фильтрационный расход через тело плотины и зону контакта плотины и основания. Проект допускал уровень фильтрации в основании в пределах 100 – 150 л/с, а в теле плотины фильтрация вообще должна была быть незначительной. Тем не менее, в 1995 году была зафиксирована фильтрация в количестве 549 л/с в основании и 457 л/с в теле плотины. Причиной увеличения фильтрации явилось образование трещин в плотине, трещинообразование в месте контакта бетона плотины и её основания, а также разуплотнение пород основания. В качестве причин данного явления называются несовершенство использованных при проектировании расчётных методик и отступления от проекта при строительстве плотины (интенсификация строительства первого столба плотины при отставании в бетонировании других столбов).

В 1991-1994 годах предпринимались попытки заделки трещин в плотине и основании с помощью цементации, которые не привели к успеху – цементирующий состав вымывался из трещин. В 1993 году было принято решение воспользоваться услугами французской фирмы «Solétanche Bachy» («Солетанш Баши»), имевшей опыт ремонтных работ на гидротехнических сооружениях с использованием эпоксидных смол. Работы по инъецированию трещин в бетоне плотины с помощью эпоксидного состава «Родур-624» были проведены в 1996-1997 годах и показали хороший результат – фильтрация была подавлена до 5 л/с и менее. Опираясь на этот опыт, в 1998-2002 годах уже с помощью отечественного состава КДС-173 (компаунд эпоксидной смолы и модифицированного каучука) были проведены работы по инъецированию трещин в основании плотины, также с положительным результатом – фильтрация снизилась в несколько раз, упав до значений меньших, чем предусмотрено проектом. Всего на ремонтные работы в плотине и основании было затрачено 334 тонны эпоксидных составов.

С 1997 года, после завершения заделки трещин в плотине, с целью недопущения их раскрытия было принято решение снизить отметку нормального подпорного уровня на 1 метр (с 540 до 539 м), а отметку форсированного подпорного уровня – на 4,5 м (с 544,5 м до 540 м). В 2006 году при прохождении сильного летнего дождевого паводка холостые сбросы через эксплуатационный водосброс достигали 5270 м³/с, существенных повреждений в водобойном колодце после его осушения обнаружено не было. Значительные объёмы сбросов через эксплуатационный водосброс (до 4906 м³/с) имели место и в 2010 году, при пропуске многоводного паводка обеспеченностью 3-5 %. После аварии в августе 2009 года эксплуатационный водосброс работал в течение более чем 13 месяцев, с 17 августа 2009 года по 29 сентября 2010 года, пропустив 55,6 км³ воды без каких-либо повреждений.

В настоящее время действующая Саяно-Шушенская ГЭС имеет следующие характеристики.

Высота плотины составляет 245 м, ширина основания 110 м, а длина по гребню 1066 м.

Состав сооружений ГЭС:

· бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 245 м, длиной 1066 м, шириной в основании – 110 м, шириной по гребню 25 м. Плотина включает левобережную глухую часть длиной 246,1 м, станционную часть длиной 331,8 м, водосливную часть длиной 189,6 м и правобережную глухую часть длиной 298,5 м;

· приплотинное здание ГЭС;

· береговой водосброс.

Мощность ГЭС – 6400 МВт, среднегодовая выработка 23,5 млрд. кВт·ч. В 2006 году из-за крупного летнего паводка электростанция выработала 26,8 млрд. кВт·ч электроэнергии.

В здании ГЭС размещено 10 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 640 МВт, работающих при расчетном напоре 194 м. Максимальный статический напор на плотину – 220 м.

Ниже Саяно-Шушенской ГЭС расположен её контррегулятор — Майнская ГЭС мощностью 321 МВт, организационно входящая в состав Саяно-Шушенской ГЭС.

Плотина ГЭС образует крупное Саяно-Шушенское водохранилище полным объёмом 31,34 куб. км (полезный объём – 15,34 куб. км) и площадью 621 кв. км.