ЖУРНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

Источник: Журнал «Hydropower & Dams»

Авторы: Д. Стэблс, «Knight Piéslod (Pty) Ltd» (ЮАР), Р. Фрейзер, «Ninham Shand» (ЮАР)

ВВЕДЕНИЕ

Крупнейший проект «Берг Ривер», с подачей 81 млн. м³ воды в систему Вестерн Кейп (ЮАР), получил большое число наград за инновационные решения в области инженерии и охраны окружающей среды. Несмотря на напряженный график реализации, проект был завершен вовремя. Данная статья описывает основные характеристики проекта и проблемы, вставшие на пути его осуществления.

Проект Берг Уотер (Berg Water Project ― BWP) стоимостью 1,5 млрд. ранд (около 150 млн. долларов) является первым крупным проектом, воплощаемым в соответствии с Новым национальным водным актом ЮАР (South Africa New National Water Act) от 1998 г. Проект представляет собой реализацию правовой концеп­ции «экологического сохранения» (опреде­ляемой как величина стока воды, сохра­няемая в системе для обеспечения экологи­ческой целостнос­ти и соответствия основным нуждам общества).

С момента одобрения проекта правительством и мероприятий организационного характера (2002 год) было определено, что наполнение водохранилища может начаться в 2007 г. Дата опреде­лялась значи­тель­ными сложностями по транспорту, стадий­ному проек­тированию, необходимостью интег­рации с уже существующим комплексом системы водоснабжения Вестерн Кейп (Western Cape).

Согласно Environmental Record of Decision (RoD) требовалось большое внимание к выплатам как по охране природной среды, так и по социально-эконо­мической ситуации в долине Франсчоек (Franschhoek Valley).

Посредством согласованных усилий всех заинтере­сованных сторон, и применения инженерной коман­дой необычных решений по управ­лению проектом, поставленные цели были достигнуты несмотря на сжатый временной график. Сложности при реали­зации проекта, а также значительные взносы проекта в социально-экономическое развитие региона Франсчоек и вселом Вестерн Кейп, позволили полу­чить общее одобрение (см. желтую вставку).

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЕКТА

Проект Берг Уотер был реализован для удовлетво­рения возрастающих потребностей в водных ресурсах со стороны всех видов потребителей в Вестерн Кейп. Годовая производительность проекта обеспечит пода­чу 81 млн. м³ воды в существующую систему водо­снабжения Вестерн Кейп, фактически повышая произ­водительность последней на 18%. В состав основных объектов BWP, расположен­ного в 85 км от г. Кейптаун, поблизости от Франс­чоека, входят плотина Берг Ривер (BRD) и соответствующая дерива­ционная система. Водохранилище плотины BRD пос­редством аккумулирования вод половодья и дождевых паводков обеспечивает подачу 56 млн. м³ воды в год. Остальные 25 млн. м³ добавляется в сис­тему на про­тяжении 10 км нижнего бьефа BRD. BWP обеспечит удовлетворение нужд г. Кейптаун вплоть до 2013 г.

Рисунок 1 — Награды и признание проекта гидроузла Берг Ривер

Некоторые детали проекта:

– Каменно-набросная плотина с железобетонным экраном (CFRD): высота ― 62 м, длина по гребню ― 930 м; создаваемый объем водохранилища ― 130 млн. м³. Плотина выполняется из нескольких зон каменной наброски и фильтров; суммарный объем тела плотины составляет 3,3 млн. м³. Район расположения является активным в сейсмическом отношении.

Рисунок 2 — Аэросъемка плотины в октябре 2007 г. (водохранилище наполнено на 42 %)

Рисунок 3 — Ранняя стадия работ по подготовке основания плотины. Справа видна низовая строительная перемычка. Грунты правобережного канала будут подвергнуты динамическому уплотнению для предотвращения разжижения при сейсмическом воздействии

– Водослив с боковым отводом пропускной спо­соб­ностью 1 050 м³/с, переходящий в крутонаклонный железобетонный быстроток, оканчивающийся бере­говым ковшом-отражателем с 15-метровым углуб­ле­нием. В 600 м ниже по течению находится гидро­метрическая станция.

– Двухфункциональная башня водоприем­ника: высота 65 м, поперечное сечение поверху 28×14 м. Водо­приемник используется как для про­пуска расхода паводка через сбросной колодец (при расходах свыше 200 м³/с), так и для забора воды через многоуровневые впускные трубы (диаметром 1,5 м). Сбросной колодец управляется шестью круп­ными селекторными затворами, производя слив в отво­дящий водовод диаметром 5,5 м, идущий через основание плотины к нижнему бьефу. Водовод обо­рудован аварийным и рабочим сегментным затво­рами. В период строительства плотины данный водовод также использовался для отвода строитель­ного расхода реки.

Рисунок 4 — Строительство башни водоприемника. Слева — опора служебного мостового перехода. В основании башни видно уширение, выполненное для восприятия сейсмической нагрузки

Рисунок 5 — Работы по возведению водослива: по центру фотографии — ковш отражатель и общий колодец, в левой части — быстроток

– Насосная станция Дасбос (Dasbos), расположенная у основания плотины: обеспечивает подачу воды от гидроузла на водоочистную станцию г. Кейптауна. Подача осуществляется через существующую тон­нельную систему от плотины Тивотершклоф (Theewaterskloof) к Стелленбош (Stellenbosch) (проект Ривьерсондред (Riviersondered)). Насосная стан­ция является ключе­вым элементом в системе кон­троля и управ­ления сооружениями всего гидро­узла Берг Ривер. Центр управления находится в здании насос­ной станции, где в качестве основного гидро­сило­вого оборудо­вания установлены четыре гори­зон­тальных насос­ных агрегата с разъемными корпусами (пода­чей по 6 м³/с) и системой трубо­проводов и запорной арма­туры, используемой для работы в раз­личных опе­рационных режи­мах.

– Насосная станция Дракеншнейн (Drakenstein): обо­рудована четырьмя вертикальными многоступенча­тыми насосами общей производительностью 4 м³/с. Отводящий водовод выполнен в виде стального трубопровода диаметром 1,5 м и длиной 10 км. Он соединяется с туннелем Ривьерсондред для дальней­шей подачи на г. Кейптаун.

– Напорный водовод от насосной станции Дасбос: диаметр 1,5 м, длина 2,5 км; водовод обеспечивает подачу воды от BRD к туннелю Ривьерсондред или самотеком к туннелю Тивотершклоф как иррига­цион­ные сбросы в р. Берг через водовод станции Дракен­шнейн. Проект Берг Уотер позволяет зака­чивать воду, удаленную от станции Дракен­шнейн (или от плотины), в водохранилище плотины Ти­вотершклоф или напрямую к Стелленбош. Водовод включает участок длиной 200 м у станции Дасбос для соеди­нения с туннельной системой.

– Плотина на р. Берг в Дракенштейн, расположенная в 10 км ниже от гидроузла BRD после слияния с р. Дварс (Dwars) и несколькими другими притоками, Для обеспечения условий недопущения забора твер­дого стока плотина оборудована комплексом сепа­рирующих сооружений, позволяющих отбирать чис­тую воду и подавать ее на насосную станцию Дракеншнейн.

– Система автоматизации SCADA была специально разработана для отслеживания операционных пара­метров всех объектов и сооружений BRD. Она обес­печивает для Министерства водных ресурсов и леса, назначенного в качестве оперативного управ­ляю­щего, возможность всестороннего контроля за рабо­той гидроузла. Система дополнена шестью малыми плотинами с мерными водосливными, рекон­струированными или вновь возведенными на раз­лич­ных притоках основной реки для слежения за стоком.

– Развитие инфраструктуры включало следующие аспекты. Перед началом основного строительного периода к площадке расположения гидроузла про­ложена подъездная автодорога с твердым пок­ры­тием (от дороги R45/R301). В деревне La Motte Forestry был возведен поселок из 80 домов (с реконструкцией дорог, комплексами рекреации и охраны). Изначально предназначенные для инже­нерного состава и рабочих стройки, дома позже были доступны для покупки (с предпочтением местных жителей как покупателей). Для проведения реконструкции существующей системы водоснаб­жения деревни, с увеличением подачи для допол­нительной жилой площади, был проложен водо­проводный кол­лектор длиной 4,4 км.

ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ СЛОЖНОСТИ

Некоторыми аспектами, потребовавшими ран­него и продолжительного к себе внимания в ходе строи­тельства, были:
– взаимодействие участников проекта и процессы управления;
– интересы местных жителей, приведшие к принятию TCTA политики «Franschhoek First», частично ка­сательно местных возможностей трудоустройства и профобучения, для создания положительной соц­иально-экономической обстановки в долине по окончании периода строительства;
– всесторонняя проверка навыков, содействовавшая достижению 75%-ной величины участия местных трудовых сил. Это дало эффект посредством соз­дания и деятельности в долине Franschhoek «Бюро труда»;
– предписанные работы по охране окружающей среды;
– вопросы приобретения земли в регионе с развитым сельским хозяйством.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

С начала работ в 2003 г. было выполнено множество стадий проектных работ. Важнейшими из них были следующие:
– Этап выбора типа плотины, с особым вниманием на вопрос принципиальной осуществимости строи­тельства в условиях сжатых сроков и кли­матических условиях Вестерн Кейп. Результатом стало принятие каменно-набросной плотины с железобетонным экраном (т.н. CFRD) как наиболее соответствующей естественному основанию и имеющим здесь место влажным зимам.
– Исследование природных расходов и комплексный проект водоприемника, позволяющего производить следующие операции: обеспечение подачи через во­довод Дасбос воды в туннель Riviersondered, ирри­га­ционные попуски величиной свыше 7 м³/с через сис­тему Wem­mershoek или непосредственным сбросом в нижний бьеф, восприятие расходов свыше 7 м³/с от насосной станции Дракеншнейн (т.е. конструкция башни водоприемника позволяет работать в обрат­ном режиме — как водовыпуск), пропуск паводков расходом свыше 200 м³/с. Водоприемник обору­до­ван оборудован плоскими и сегментными затво­рами, дроссельными заслонками.
– Исследование работы водосброса на физической мо­дели, созданной в Университете Притории.
– Исследование работы водовыпуска и водо­приём­ника на физических моделях, созданных в Университете Притории.
– Исследование характера осаждения наносов в водо­пропускных сооружениях на отдаленную перспек­тиву.
– Численное моделирование гидрогеологических условий территории, особенно для района Robertsvlei в верхней части долины Франсчоек.
– Расчет с помощью методов вычислительной гидро­динамики различных кон­струк­тивных решений во­допропускных трактов.
– Изучение вариантов облицовки водоводов (срав­не­ние эпоксидных растворов с цементными), вы­пол­ненное в Университете Кейптауна.
– Изучение качества воды, расчет стратиграфического распределения качества воды и ее температур по глубине водохранилища.
– Исследование временного процесса аккумуляции наносов перед плотиной.
– Сейсмический анализ и мониторинг, выполненный Council for Geoscience.

СТРОИТЕЛЬСТВО

Можно выделить следующие аспекты, характе­ри­зующие период строительства:
– для бетонирования бетонного экрана BRD было разработано специальное скользящее оборудование. Был использован южноамериканский опыт непре­рывного скольжения каждой лицевой панели (длиной по 15 м) начиная от железобетонной цокольной части вдоль низовой части напорной грани;
– динамическое уплотнение, предназначенное для по­тенциально неустойчивой зоны, распо­ло­женной в правой части плотины (возможное разжи­жение при динамическом воздействии);
– в качестве крупного заполнителя для бетона были использованы галечные грунты русла реки;
– осушение длинного котлована водовода, соеди­няющегося с руслом р. Берг при песчаных и галечных грунтах основания;
– применение на насосной станции Дракеншнейн многоступенчатых насосов для обеспечения широ­кого эксплуатационного диапазона;
– перекрытие водозаборного сооружения шандор­ными заграждениями при средне-зимних расходах для соблюдения графика наполнения водохра­нилища;
– применение опытной системы затворов для водо­отведения;
– соблюдение строгих технических условий в течение всего времени строительства в рамках руководящих принципов EMP, установленных в разделе ОВОС.

ОПЕРАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

При проектировании системы SCADA были учтены множество требований по эксплуатации:
– пропуск минимальных расходов летней межени величиной 0,3 м³/с, 65 м³/с для трехдневных зимних дождей, и высокого зимнего половодья с расходом 200 м³/с (как требование по окружающей среде);
– возможность исчерпания чистой воды для г. Кейптаун от требуемых глубин для соответствия требованиям соблюдения температурного режима и аэрации;
– обеспечение требований ирригации во время летней межени (или от плотины Тивотершклоф (пред­почтительно), или от плотины Берг Ривер);
– мониторинг гидрогеологических условий подпора грунтовых вод на близлежащей к гидроузлу территории.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ

Основные участники реализации проекта BWP представлены в таблице ниже.

Власти и инженеры-консультанты проводили еже­месячные координационные совещания в Координа­ционном Комитете Проекта, на которых продумы­вались все аспекты проекта на перспективу. Это был основной технический механизм управления, хотя высшими функциями управления был наделен Комитет по Мониторингу Окружающей Среды в Кейптауне.

Вопросами технического проекта и его реализации в основном занимались инженеры-консультанты (груп­па BRC). Данной работе также способствовали еже­недельные, ежемесячные и специальные сове­щания в TCTA, проводившиеся в течение всего времени строитель­ства.

Ежемесячные совещания проводились с момента на­чала строительства. На них присутствовали пред­ставители всех подрядных и проектных орга­низаций.

Договора заключались TCTA на основе образцов FIDIC, разработанных с учётом опыта, полученного TCTA при реализации других крупных проектов.

Рисунок 6 — Основные участники проекта Берг Ривер

Рисунок 7 — Общий вид со стороны верхнего бьефа, отображающий защитные дамбы на обоих берегах реки

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Группа BRC привела в действие свою собственную систему менеджмента качества, соответствующую ISO, для внутреннего административного и техни­ческого контроля, и разработала всесторонние специ­фикации и системы контроля качества для всех под­рядчиков, опять же в сотрудничестве с TCTA и в соответствии с опытом других крупных гидро­тех­нических проектов.

BRC также задействовала внутреннюю команду экспертов, состоящую их специалистов всех зна­чи­мых областей. Команда состояла из пяти и более человек (состав зависел от особенностей рассмат­ри­ваемого этапа проекта). Она работала в дополнение к отчетам Технической комиссии TCTA, которая по­се­щала объект на регулярной основе и состояла из высокопоставленных и известных персон в гидро­энергетике.

Фактически, все поставленные к реализации задачи по проекту были выполнены в срок, а качество работ, достигнутое подрядными организациями, оценивается как близкое к максимально возможному.

ФИНАНСОВЫЕ АСПЕКТЫ И ВЫПОЛНЕНИЕ БЮДЖЕТА

TCTA в 2002 была направлена на создание группы BWP как агента для DWAF с целью привлечения синдицированного заёма в 1,6 млрд. ранд (0,8 млрд. ранд — от EIB, 0,5 млрд. ранд — от DBSA, и 0,3 млрд. ранд — от ABSA). Потребители г. Кейптаун будут выплачивать данный заем до 2027 г. в виде добавки к тарифу на воду (т.н. Berg Water Charge), постав­ляемую Western Cape Water System.

Первоначальный бюджет был утвержден TCTA в начале строительства, когда все основные договора на ближайшие 4 года были заключены, обеспечивая воз­можность четкого контроля за реализацией. В связи с наличием лишь нескольких просроченных обяза­тель­ство, предполагалось, что если и потребуется какое-либо изменение бюджета, то величина его будет ми­нимальной. И это несмотря на значительное варьиро­вание как в контракте с BRC, так и в контрактах с подряд­чиками. Были проведены опре­деленные изме­нения в начальных и других условиях.

СОЦИАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ И ВОПРОСЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Вопросы социальной тематики и охраны окружающей среды были адресованы в Environmental Record of Decision (RoD) с последовавшими различными доку­ментами и отчётами. Проект жёстко контролировался, и все обязательства в своих основных элементах были достигнуты. EMC выполнял непрерывный мони­то­ринг, производимый ежемесячно в лице назначенного специалиста по контролю охраны окружающей среды (Environmental Control Officer — ECO). Общее вы­полнение оценивалось EMP величиной 98 %.

Участие общественности и пайщиков в проекте Берг Уотер было организовано посредством нескольких форумов, публичных обсуждений и мероприятий.

Комитет по трудоустройству и обучению (IETC), в состав которых входили местные пайщики, проводил ежемесячный мониторинг проблем трудовой заня­тости и тренинга.

Информирование общественности о ходе стро­ительства осуществлялось посредством выпуска «Новостей Берг Ривер», выпускаемые TCTA в своем офисе в Франсчоеке. На основе внедрения т.н. политики «Franchhoek First» были выработаны по­ложения для всех подрядных организаций по организации и развитию местного социального мониторинга.

Для обеспечения долговременных выгод от эксплуа­тации гидроузла и прилегающей территории TCTA утвердила экологический план утилизации (SUP).

Несмотря на задержки, проект был выполнен в срок и уложился в окончательный бюджет.

На всем протяжении воплощения проекта Берг Ривер административное и техническое управление было важнейшей частью реализации проекта. С самого начала были приглашены квалифицированные компетентные кадры.

АВТОРЫ

Дейвид Стэблс — профессиональный инженер, имеющий степень бакалавра по гражданскому строительству университета Cardiff (Великобритания, Уэльс). С 1995 г. он работает в South African Consulting Engineering Company, Knight Piésold (Pty) Ltd, и имеет 33-летний опыт в сфере администрирования, управления проектами и консалтинга по различным областям инже­нерии. В течение многих лет принимал участие в контроле проектов крупных градирен и продолжает участвовать в исследованиях данных сооружений. В недавнем прошлом его навыки были использованы в горном деле. В последний год он был назначен заместителем Руково­дителя проекта Берг Ривер.

Роб Фрейзер — руководитель совместного предприятия «Консультанты Берг Ривер» (Berg River Consultants) и главный директор Ninham Shand (Pty) Ltd, одного из трех участников совместного предприятия. Проект Берг Ривер является его пятым крупным гидро­техническим проектом, и первым, по его мнению, по сложности и комплексности.