Источник: Журнал «Гидротехника. XXI век»
ВВЕДЕНИЕ
Баксанская ГЭС располагается в Баксанском муниципальном районе Кабардино-Балкарской Республики, на левом берегу р. Баксан. Сооружения ГЭС расположены в пределах двух поселков — Заюково и Атажукино (бывший Кызбурун-1), на расстоянии 30 км по автотрассе от столицы Республики — г. Нальчик. Установленная мощность станции составляет 25 МВт, среднегодовая выработка — 108 млн. кВт∙ч, класс сооружений — III.
Баксанская ГЭС по праву считается одним из первенцев отечественной гидроэнергетики — пуск первого гидроагрегата ГЭС был произведен в 1936 г. В настоящий момент продолжаются строительные работы, целью которых является выполнение полномасштабной реконструкции объекта, возраст сооружений которого в 2011 г. достиг планки в 75 лет.
В настоящей статье изложено описание только одного из большого числа различных сооружений, входящих в состав Баксанской ГЭС — деривационного канала. Описание реконструкции других сооружений может быть дано в последующих статьях.
ИСТОРИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
Первые проработки возможности строительства на р. Баксан гидростанции были выполнены еще в 1911 г.
В 1925—1927 гг. «Акционерным обществом по электрификации Северо-Кавказского края» был подготовлен эскизный проект. Он определил основные возможные компоновочные решения и задал в первом приближении параметры будущей ГЭС. В 1929 г. Бюро Центрального электротехнического совета (ЦЭС) Главэнерго ВСНХ СССР утвердило эскизный проект в качестве основы для дальнейшего проектирования.
На основании данного решения в 1929 г. «СЕВКАВЭНЕРГОПРОМСТРОЙ» (г. Ростов-на-Дону) подготовил первую редакцию технического проекта Баксанской ГЭС (окончательная редакция была утверждена в феврале 1931 г.). В ноябре того же 1929 г. был утвержден титул на строительство. Техпроект предусматривал деривационную компоновку Баксанской ГЭС, с забором части стока р. Баксан в головном узле, и подачей его по деривационному тракту общей протяженностью 10 км. Это позволяло аккумулировать на станционном узле статический напор величиной почти 100 м.
Строительные работы начались в апреле 1930 г. Генподрядные функции были переданы «Управлению строительством «Баксанстрой» (Главэнерго Наркомата тяжелой промышленности). Подрядчиком выступало «Северо-Кавказское управление Энергоцентра», которое через год было сменено на «Северо-Кавказское отделение треста «Гидроэлектрострой» (ГИДЭС).
В разработке рабочего проекта принимали участие различные организации, в частности, Московское отделение «Гидроэнергопроекта» (МосГИДЭП), Ленинградское отделение «Гидроэлектростроя» (ЛоГИДЭС), Средне-Азиатский научно-исследовательский институт ирригации. Согласно рабочему проекту деривационный тракт имел длину 10 км и был выполнен частично в виде каналов (общая длина 6 545 м), частично — туннелей (общая длина 3 480, с тремя стальными акведуками). Поперечное сечение каналов — трапецеидальное в монолитной бетонной облицовке, шириной по дну 2,15 м, уклоном откосов 1:1,5. Глубина воды была принята равной 3 м из расчета пропускной способности канала, равной 35 м3/с. Запас высоты до берм — 1 м. Толщина облицовки каналов — от 0,15 до 0,25 м. Типовым решением по дренажу было выполнение под облицовкой подготовки из галечных грунтов, дренируемой керамической трубой, которая укладывалась под дном канала продольно его оси. В состав сооружений по каналу было включено свыше 25 других малых сооружений, обеспечивающих нормальную его эксплуатацию (селедуки, шугосброс, аварийные водосбросы).
Уже на этапе строительства на трассе канала были обнаружены древние оползни, что привело к необходимости быстрого изменения проектных решений: переходу на двух участках канала на туннельный тип деривации. В результате весь деривационный тракт был представлен попеременно сменяющими друг друга участками каналов и туннелей (рис. 1). Также в ходе строительных работ на уже выполненном участке канала активизировался еще один оползень (весна 1934 г.). Это привело к срочному переносу части трассы в сторону на расстояние 100 м, где канал пришлось проложить в дамбах.
Рисунок 1 — Схема Баксанской ГЭС
Для строительства деривационного канала вся его трасса была разбита на три дистанции (прорабства) длинами по 4,0 км, 1,6 км и 0,9 км. Вдоль всей трассы была проведена линия электропередачи 3,3 кВ (при рабочем напряжении 220 В), которая запитывалась двумя временными электростанциями: дизельной — в начале канала, и паровой — в конце. Трасса прокладывалась по сложной кривой с большим числом плавных поворотов различной длины и кривизны — всего около 50 поворотов. Суммарная протяженность криволинейных участков составила 70 % от полной длины канала.
Для удовлетворения нужд строительства в технической воде было организовано централизованное водоснабжение. У р. Баксан размещались насосные станции, оборудовавшиеся насосами фирмы «Зульцер». Вода закачивалась в два напорных бассейна, построенных по левую сторону от канала на естественных горных слонах с превышением отметки работ по каналу на 45—50 м (рис. 2). От бассейнов вода разводилась по трассе канала зарытым деревянным трубопроводом Ø100 мм. Основными потребителями технической воды были бетонные заводы, а также котлы паровых экскаваторов.
Рисунок 2 — Сохранившиеся конструкции второго напорного бассейна (съемка 2010 г.)
Земляные работы по выемке призмы канала производились в основном экскаваторами (рис. 3). Ручной труд использовался для добора грунта и получения проектного контура котлована. Применялись немецкие паровые экскаваторы фирмы «Weser-Huette». Экскаваторы двигались параллельно оси канала и подавали грунт в отвал в одну или две стороны. На отдельных участках применялся драглайн, передвигавшийся по берме, а также экскаватор «Менк» с грейфером. Валуны, непосильные экскаваторной технике, взрывались аммоналом или динамитом. Для этого «экватор отводился от места взрыва на 20―25 метров и поворачивался задом, а пар спускался до 1—1,5 атмосфер». На косогорных участках с большими объемами выемки на погонный метр работы велись с дополнительными перекидками и отвозкой грунта в кавальер. При этом на склоне организовывалось до 6 берм, с шагом по высоте 4 м. Для транспортирования грунта применялся узкоколейный железнодорожный транспорт (вагонетки Коппеля), или автомобильный (трехтонные самосвалы). Узкоколейные пути укладывались по бермам, транспортируемые по ним вагонетки приводились в движение вручную или мотовозами. Уголь для работы паровых экскаваторов подвозился на тракторах из Нальчика.
Рисунок 3 — Земляные работы по выемке призмы канала
Гидрогеологические условия трассы позволили выполнить практически всю выемку призмы канала без откачки грунтовых вод. Средняя интенсивность работ составила около 3 пог. м/день.
Добор грунта с получением контура котлована под бетонную облицовку производился вручную. Работы велись в три смены. Для вывоза грунта из канала по его дну укладывались пути, которые периодически поднимались с уклоном 25—30° по откосу канала на берму, для чего использовался бремсберг.
Был апробирован конвейерный транспорт — ленточные транспортеры фирмы «Макензен». Однако чрезвычайная трудность перемены позиции транспортеров, а также обратное качение галечниковых грунтов по ленте заставили отказаться от подобного типа техники.
На первом участке канала в связи с активизацией оползня (см. выше) часть канала была выполнена полным сечением в насыпных дамбах — т.н. обходной канал. Дамбы отсыпались из суглинистых грунтов слоями по 12—15 см. Уплотнение грунтов выполнялось катками (рис. 4): применялись десятитонный каток Дортранса и каток фирмы «Бюллер». Часть работ по уплотнению осуществлялась ручными трамбовками. Ход работ контролировался 6 членами полевой геотехнической лаборатории. Пробы грунта брались с помощью стальных цилиндров объемом 1 м3. В связи с высокой ответственностью работ по уплотнению была организована экспериментальная укатка, для чего указанная техника произвела опытную укатку насыпи на специально выделенной площадке размером 100×120 м.
Рисунок 4 — Техника для уплотнения грунта
После завершения основных земляных работ на отдельных участках производилось замачивание канала для уменьшения осадки облицовки в эксплуатационный период (рис. 5).
Рисунок 5 — Замачивание канала
Для производства бетонных работ (рис. 6 и 7) на протяжении деривации было организовано около девяти малых бетонных заводов. Заводы оборудовались бетономешалками ЕГЕР объемом 0,25—0,38 м3, и установкой фирмы «Блэк» для дробления камней размером свыше 80 мм. Крупный и мелкий заполнитель добывался во вскрытых в максимальной близости от заводов карьерах. Водоцементное соотношение смеси принималось 0,70÷0,75, прочность бетона на сжатие R28 = 9 МПа.
Рисунок 6 — Бетонные работы на участке канала в дамбах («обходной канал»)
Подача бетона на участки бетонирования была организована также, как и для земляных работ — вагонетками, шедшими по путям с одной или двух сторон канала. Тяга вагонеток велась вручную, лошадьми или тягачом фирмы «Фордзон». На подходе к бетонируемой секции облицовки вагонетки опрокидывались в деревянные лотки, с последующим распределением бетонной смеси вручную лопатами.
Уплотнение уложенного бетон велось ручными трамбовками: деревянный брус 25×25 см с вбитой ручкой, или металлический лист 15×15 см с ручкой. Реже использовались самодельные вибраторы, которые представляли собой стальной лист 40×60 см с закрепленным на нем электромотором (500 Вт, 1500 мин-1) с эксцентрикам. После уплотнения поверхность бетона затиралась и сразу накрывалась матами, фанерой или толем для предохранения от солнечного излучения. В течение 2—3 дней велась поливка водой. Средняя интенсивность бетонирования составила 8,5 пог. м/день. При зимнем бетонировании на бетонных заводах производился подогрев составляющих бетонной смеси: вода и песок подогревались до 70 °C, песок подогревался на железных листах. Вагонетки для транспортирования бетона обшивались досками и покрывались парусиной или войлоком.
Основные строительные работы по сооружению деривационного тракта Баксанской ГЭС были закончены к лету 1936 г. Первая пробная подача воды из головного узла в деривацию состоялась 17 августа 1936 г., а уже через месяц, 20 сентября, в здании ГЭС был осуществлен пуск первого гидроагрегата. 9 августа 1939 г. подписанием госкомиссией Генерального акта Баксанская ГЭС была принята в промышленную эксплуатацию.
Рисунок 7 — Готовая облицовка канала
РЕКОНСТРУКЦИЯ 2010—2011 гг.
За более чем 70 лет эксплуатации Баксанской ГЭС на ней проводились различные ремонтно-восстановительные работы. Причиной тому были разрушение сооружений станционного узла в период Великой Отечественной войны (реконструкция 1943―1947 гг.), замена гидросилового оборудования (1962 г.), устранение последствий стихийных бедствий (например, сход селя в 1963 г., спровоцировавший переполнение канала с размывом части дамбы), и другие.
Несмотря на значительный срок эксплуатации Баксанской ГЭС реконструкция объекта ни разу не проводилась. В 2009―2010 гг. началась подготовительная работа по реализации программы реконструкции. 27 июля 2010 г. на станционном узле ГЭС произошла диверсия, выведшая из строя основное гидросиловое оборудование. Данное печальное событие способствовало активизации работ по полномасштабной реконструкции.
При разработке проекта реконструкции деривационного канала принято решение о сохранении большого числа решений, заложенных в первоначальный проект 1930-х гг. Причиной тому послужил фактический опыт эксплуатации сооружений, показавший принципиальную надежность изначальной конструкции.
Трасса деривационного канала сохраняется неизменной. Основные мероприятия по реконструкции преследуют цель восстановления или замены конструкции облицовки и дренажа.
В ходе обследования состояния канала было выявлено повсеместное разрушение существующей конструкции облицовки. Разрушения носили характер трещин различной величины раскрытия — от волосяных до нескольких сантиметров. Трещины переходили в сквозные отверстия, сопровождающиеся вывалом заполнителя дренажных слоев. Наблюдались выпирания плит, их сдвиг или надвиг. Деформационные швы находились в неудовлетворительном состоянии, на отдельных участках наблюдалась фильтрация как из канала, так и в канал при высоком уровне грунтовых вод.
В зависимости от геологических условий вся трасса деривационного канала разбита на двенадцать участков, в пределах которых конструктивные решения принимаются постоянными.
Принципиальна схема реконструкции облицовки принята следующая. Удаляются существующая поврежденная бетонная облицовка и слои дренажей, уложенные под нее. Полученная поверхность котлована планируется и уплотняется. В днище прокладывается траншея, в которой укладывается перфорированная дренажная труба. По спланированным откосам отсыпаются один или два слоя грунтовой подготовки (дренажные слои). По верхнему слою последней выполняется бетонирование облицовки толщиной 150—200 мм. Армирование принимается однорядное с расположением арматуры по центру толщины бетонной облицовки. Арматура класса А-III диаметром 12 мм, шаг в обоих направлениях 200 мм. Геометрическая форма поперечного сечения канала сохраняется неизменной: трапецеидальное, ширина по дну 2,15 м, уклон откосов 1:1,5, глубина от берм до дна 4,0 м, глубина воды 3,0 м, превышение отметки берм над уровнем воды 1,0 м, ширина по урезу воды 11,15 м, ширина по бровкам берм 14,15 м.
На рис. 8 представлено поперечное сечение с конструкцией облицовки, выполненное на трех разных участках: участок № 1 (ПК0—ПК1+30), участок № 3 (ПК15—ПК17) и участок № 12 (ПК47+30—ПК59+40).
Рисунок 8 — Сечения канала на ПК0—ПК1+30 (а), ПК15—ПК17 (б) и ПК47+30—ПК59+40 (в)
Деформационные швы (рис. 9, 10) выполнены продольными и поперечными. Продольные швы располагаются в местах сопряжения облицовки откосов с облицовкой дна. Поперечные швы — вдоль оси канала с шагом 15 м. Также выполняются и поперечные строительные швы, с шагом 5 м.
Рисунок 9 — План облицовки канала
Рисунок 10 — Конструкция деформационного шва
Проектом также предусмотрены работы по реконструкции ряда сооружений, входящих в состав деривационного канала. В частности, полному переустройству подвергаются два аварийных боковых водослива на ПК58 (рис. 11) и ПК76, включая их протяженные отводящие русла (рис. 12). Конструкции данных водосбросов за длительное время эксплуатации были практически полностью разрушены. Планируется возвращение в нормальный режим эксплуатации и сифонного водосброса. Предусмотрен демонтаж показавшего свою эксплуатационную непригодность шугосброса, расположенного на ПК10.
Рисунок 11 — Аварийный боковой водослив № 1
Рисунок 12 — План отводящего русла сифонного водосброса (часть)
Для облегчения дальнейшей эксплуатации канала вдоль него устраивается инспекторская автомобильная дорога (рис. 13). Трасса автодороги располагается вдоль практически всей длины канала, с расположением в основном по правой стороне, вплотную к бровке канала. На ряде участков (в частности, на т.н. «обходном канале») дорога не предусматривается ввиду отсутствия возможности отвода под нее соответствующей полосы территории. Автодорога проектируется категории IV-в, с грунтовым типом покрытия, шириной проезжей части 4,5 м, с устройством водоотводной канавы.
Рисунок 13 — Поперечное сечение инспекторской автодороги
В ходе подготовки проектной и рабочей документаций наибольшую сложность представляют вопросы, связанные с тем, что значительная часть деривации проходит в пределах крупных населенных пунктов. Если 75 лет назад это приводило к некоторым сложностям в ходе строительного этапа, то в настоящее время вопрос с подходящими вплотную к каналу границами частных владений, транспортными и многочисленными инженерными коммуникациями встает особенно остро. Дополнительную сложность придает и устройство инспекторской автодороги, первоначально отсутствовавшей. Схожие проблемы имеют место и в связи с восстановлением отводящих русел аварийных водосбросов, которые к настоящему моменту превратились в сточные канавы или вообще закопаны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Осенью 2010 г. строительные подрядные организации приступили к работам по реализации проекта реконструкции деривационного канала и сооружений на нем. На момент конца 2011 г. значительная часть из общего объема, предусмотренного проектом (в основном, по облицовке канала), считается выполненной (рис. 14).
Рисунок 14 — Реконструированный участок канала
Автор выражает благодарность сотрудникам самарского филиала Российского государственного архива научно-технической документации, и особенно — В. Н. Яшановой. Фондовые материалы РГАНТД оказали большую помощь в ходе проектных работ по реконструкции сооружений Баксанской ГЭС. Они же легли в основу и настоящей статьи.