DE19634001A1 - Triebwasserführung für Wasserkraftwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Triebwasserführung für Wasserkraftwerke über große Entfernungen zwischen Oberwasser und Unterwasser mit einem an das Oberwasser anschließenden Einleitungsabschnitt, mit einer Langstrecken- Wasserführung zwischen Einleitungsabschnitt und Turbine, die eine Neigung zur Überwindung der Reibungsverluste besitzt, mit einem Druckschacht zur Über­ windung der nutzbaren Fallhöhe zwischen Oberwasser und Unterwasser, mit einem Druckstollen, der das Triebwasser mit Arbeitsdruck der Turbine zuführt, mit mindestens einem Wasserschloß im Bereich der Druckstollen und mit einer Triebwasserführung zwischen der Turbine und dem Unterwasser.

Triebwasserleitungen dieser Art sind in unterschiedlicher Bauweise sowohl für Hochdruck- als auch als Niederdruck-Wasserkraftanlagen, insbesondere als sog. Umleitungskraftwerke, bereits bekannt.

Das charakteristische dieser Anlagen ist, daß dieselben im Bereich des Ober­ wassers, nahe dem tiefsten Wasserspiegel eine Saugleitung aufweisen, die das Triebwasser erfaßt, von Treibgut befreit und in eine Langstrecken-Wasserfüh­ rung leitet, die das Wasser mit möglichst geringem Gefälle über große Strecken transportiert.

Relativ nahe am Bereich des Unterwassers wird das Triebwasser in einen steil nach unten gerichteten Druckstollen auf die Ebene des Unterwassers geführt und gelangt dort mit hohem Druck und bei im wesentlichen bei gleich bleiben­ der Geschwindigkeit nahe dem Unterwasserspiegel zur Turbine. (vergl. Press, "Wasserkraftwerke", 2. Auflage 1967, Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin - München, Seite 185). Diese hier dargestellte Bauweise und die dabei verwende­ ten Prinzipien wiederholen sich nahezu an allen dort beschriebenen Kraftwerks­ anlagen. (vergl. Sie auch das Schema ebenda Seite 385).

Übereinstimmend ist bei derartigen Anlagen die Führung des Triebwassers über große Entfernungen auf einem Niveau an oder nahe unterhalb der Drucklinie des Triebwassers.

Diese Langstrecken-Wasserführungen werden meist als Freispiegel-Kanal oder -Stollen ausgeführt. Sie folgen der, bzw. bestimmen die Drucklinie des Trieb­ wassers. Ihr Gefälle ist meist so gewählt, daß eine konstante Fließgeschwindig­ keit gegeben ist. Diese Fließgeschwindigkeit ist im wesentlichen abhängig von der Wand- oder Bodengestaltung dieser Führungen und liegt in der Regel zwischen 0,5 und 1,5 m/sec.

Im Interesse eines geringen Fallhöhenverlustes hält man diese Geschwindigkeit so niedrig als möglich. Aus diesem Grunde müssen derartige Langstrecken- Wasserführungen relativ große Querschnittsabmessungen haben, damit die notwendige Triebwassermenge pro Zeiteinheit bereitgestellt werden kann.

Im freien Gelände unterliegen diese Freispiegel-Wasserführungen den dort herrschenden Bedingungen wie Pflanzenwuchs, Verdunstung, Vereisung, Ver­ schmutzung und dergleichen. Erhebliche Anpassungsprobleme erfordern die Oberflächenbebauung, der Umwelt- und Landschaftsschutz sowie die Nutzung der Erdoberfläche.

Führt man das Triebwasser in Freispiegel-Stollen durch Gebirge, benötigen diese ebenfalls einen sehr großen Querschnitt. Ihre Aufbringung ist kosten- und zeitaufwendig. Häufig tritt der Fall ein, daß auf dem hohen Weg zur Turbine und zum Unterwasser auch Täler zu überwinden sind. Die Kosten für die dann notwendigen Brücken oder Umwege sind oft extrem hoch und entschieden oft über über die Rentabilität des Baues eines solchen Wasserkraftwerkes.

Eine große Zahl hoch liegender Wasser- und Energiereserven konnte daher bis jetzt nicht oder nicht optimal genutzt werden.

U. a. aus diesen Gründen hat man das Triebwasser auch über längere Strecken in Druckstollen geführt. Diese Druckstollen ordnete man so an, daß sich ihre obere Begrenzung im geringen Abstand unterhalb der Drucklinie (Wasserdruck gleich Null) befand. Unter Verwendung dieser Druckstollen war es auch relativ einfach, Täler zu überwinden.

Mit dieser Ausbildung der Triebwasserführung vermied man auch weitgehend die negativen Einflüsse, denen man an der Geländeoberfläche begegnete. Das Gefälle dieser Druckstollen hielt man im allgemeinen niedrig.

Man war bestrebt, dieses Gefälle dem Gefälle der Drucklinie anzupassen und blieb dieser, soweit es die Geländebedingungen zuließen, stets nahe.

Die in Druckleitungen mögliche, höhere Fließgeschwindigkeit führte durch die geringeren Querschnitte der Druckstollen zu deutlichen Einsparungen bei der Erstellung der Anlagen.

Für das Führen des Druckstollens im geringen Abstand unterhalb der Drucklinie gibt es eine Anzahl von Gründen, die sicher nur lückenhaft zu definieren sind. Erhebliche Probleme beim Bau und Betrieb von Druckstollen bereitete in der Vergangenheit der Außenwasserdruck. Man war deshalb bestrebt, diesen Außenwasserdruck so niedrig als möglich zu gestalten. Dazu mußte man die Triebwasserführung auf hohem Niveau halten.

Die Gestaltung der Druckstollenauskleidung und deren Belastung war in den vergangenen Jahrzehnten stets mit Risiken hinsichtlich ihrer Haltbarkeit ver­ bunden. Brüche in diesem Druckstollen führten nicht nur zu einem Triebwasser­ verlust, sondern auch zu einem Druckverlust bzw. zu einem Fallhöhenverlust.

Damit dieser Fallhöhenverlust, der wegen der großen Länge des Druckstollens mit größerer Wahrscheinlichkeit auftreten konnte, nicht gleich zum Ausfall des Kraftwerkes ans ich führt, hat man diesen Druckstollen eben so lange als mög­ lich auf höchstmöglichen Niveau, nahe unterhalb der Drucklinie geführt.

Damit ist aber die Stollenführung - auch in dieser Form - nach wie vor in erhebli­ chen Maße von der Gebirgsstruktur, vom Geländeprofil und von der Ober­ flächenbebauung abhängig.

Mit unterschiedlichen Formen der überwiegend unterirdisch angeordneten, sogen. Kavernenkraftwerke versuchte man die Nachteile zu minimieren.

Je nach der Anordnung der Kraftanlage zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser teilte man diese Kavernenkraftwerke in drei Hauptgruppen ein, Oberanlagen, Mittelanlagen und Unteranlagen (vergl. Press, Seiten 189 ff).

Die sogen. "Oberanlage" besaß nahe am Oberwasser, auf der Ebene des Unterwassers die Turbine direkt am Saugstollen. Das Triebwasser wurde direkt über einen Druckschacht der Turbine zugeführt. Das drucklos abfließende Wasser führte man in einem Freispiegelstollen - auch über lange Strecken - zum Unterwasser.

Kostenintensiv war hier der lange Freispiegelstollen zum Unterwasser, dessen Querschnitt wegen der niedrigen Fließgeschwindigkeit sehr groß gehalten werden mußte. Diese Form der Triebwasserführung war insbesondere dort sinnvoll, wo das Führen von Triebwasser auf hohem Niveau wegen des un­ regelmäßig zerklüfteten Gebirges nicht möglich oder zu kostenintensiv wäre und/oder wo die Entfernung zum Unterwasser nicht allzu groß ist (Schwe­ den/Norwegen).

Die Aufwendungen für Anlagen dieser Art bewegen sich nahe an der Grenze zur Unwirtschaftlichkeit.

An einer "Mittelanlage" führte man das Triebwasser - wie oben bereits be­ schrieben - nahe unterhalb der Drucklinie in einem Druckstollen - so lange es die Gebirgsstruktur zuließ. Über einen Fallschacht oder einen stark geneigten Druckstollen führte man das Triebwasser dann direkt zur Kraftstation. Den Rest der Distanz zum Unterwasser, z. B. hinter einer weiteren Bergkette, führte man das drucklose Wasser wiederum in einem Freispiegelstollen zum Unterwasser.

Der Aufwand für diese Anlage unterschied sich nur unwesentlich von dem der Oberanlage.

Den Kosteneinsparungen beim Druckstollen standen auch höhere Kosten für das Wasserschloß gegenüber.

Die Einsatzmöglichkeiten für diese Mittelanlage war in hohen Faltengebirgen in relativ großer Zahl gegeben. Keine ökonomische Anwendungsmöglichkeit gibt es in unregelmäßig zerklüfteten Gebirgen, in Mittelgebirgen oder in allmählich abfallenden Landschaften.

Die "Unteranlagen" - als dritte Form der Kavernenkraftwerke - besaßen eben­ falls Druckstollen auf einem Niveau nahe unterhalb der Drucklinie. Sie führten das Triebwasser nahe der Drucklinie, unterirdisch bis in die Nähe des Unter­ wassers. Es wurde dann unmittelbar vor dem Kavernenkraftwerk steil nach unten zur Turbine zugeleitet. Der zum Unterwasser führende Freispiegelstollen war dann entsprechend kurz. Seine Kosten hielten sich in Grenzen.

Der über lange Strecken geführte horizontale Druckstollen auf einem hohen Niveau führte wegen des geringen Querschnittes und der höheren Triebwasser­ geschwindigkeit zu deutlichen Kostenvorteilen gegenüber der Oberanlage und auch gegenüber der Mittelanlage.

Nachteilig war jedoch, daß solche Anlagen nur dort errichtet werden konnten, wo sich das hohe Gebirge ununterbrochen bis in den Bereich des Unterwassers erstreckte. Diese Tatsache beschränkte die Zahl der möglichen Einsatzfälle für diese kostengünstige Ausführung im erheblichen Maße. Selbst in einem Falten­ gebirge waren die Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Oft mußte man das Unter­ wasser in eine weit höhere Ebene verlegen und büßte damit Fallhöhe ein.

Eine Anwendung in unregelmäßig zerklüfteten Hochgebirgen oder gar in Mittel­ gebirgen und in Gebieten mit allmählich fallendem Gelände ist aus ökonomischen Gründen völlig ausgeschlossen.

Bei sog. Niederdruck-Kraftwerken (vergl. Press ab Seite 99 bis 180), unter Nutzung der potentiellen Energie langsam fließender Flüsse oder Ströme, verwendete man ebenfalls das sogenannte Mühlgrabenprinzip.

Nach der Wasserentnahme aus dem Fluß führte man das Triebwasser über sehr lange Strecken auf einem anderen Weg mit geringsmöglichem Gefälle. An einer oft sehr weit entfernten Stelle, im Bereich des gewünschten Zuflusses zum Unterwasser führte man das Triebwasser in Druckschächten steil nach unten und trieb damit entsprechend angepaßte Turbinen (meist Franzis-Turbinen) bevor es in den Fluß zurückgeführt wurde.

Derartige Triebwasserführungen an Flüssen besaßen erhebliche Nachteile. Einerseits griffen diese oft sehr breiten Kanäle erheblich in die Gestaltung der Umwelt ein. Ansiedlungen mußten umgangen werden. Die unterschiedlich hohen Geländestrukturen erforderten meist hohe Aufwendungen um insbesonde­ re Senken und Täler zu überbrücken oder zu umgehen.

Die Kosten für Über- oder Unterführungen von Verkehrswegen sind erheblich, vor allem, wenn derartige Kraftanlagen in dichtbesiedelten Gebieten angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Triebwasserführung für Kraftwerke vorzuschlagen,

• - die sich sowohl für Hochdruck- als auch für Niederdruck-Wasserkraftanlagen eignet,
• - die weitgehend unabhängig ist von den landschaftlichen und geologischen Gegebenheiten,
• - die überwiegend unterirdisch angeordnet ist,
• - die die Landschaftsstruktur und Umwelt nicht oder nur im unbedeutenden Maße verändert,
• - die bei einem angemessen niedrigen Kosten- und Zeitaufwand schnell betriebsbereit ist,
• - die Stauanlagen - über die natürlichen Pegeltoleranzen hinaus - weitgehend vermeiden kann und
• - die auch in Gebieten dichter Besiedlung unter ökonomisch vertretbaren Bedin­ gungen installierbar ist.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise durch die in Anspruch 1 definierten Merkmale der Triebwasserführung gelöst.

Mit dem Einleiten des erfaßten Triebwassers unmittelbar nach dem Saugkanal oder dem Saugstollen in der Nähe des Oberwassers in einen vorzugsweise senkrechten Sinkschacht, dessen Tiefe sich mindestens bis auf die Ebene des Unterwassers erstreckt, wird zu einem sehr frühen Zeitpunkt das Triebwasser nahezu unabhängig vom Pegelstand des Oberwassers mit einem hohen Druck zur Verfügung gestellt.

Unter diesem relativ hohen Druck kann das Triebwasser im Druckstollen, bei einem geringen Gefälle, das nur die Fließgeschwindigkeit gleichbleibend sichert, mit der für Druckstollen zulässigen, höchsten Geschwindigkeit bewegt werden.

Die Querschnitte der Druckwasserstollen können im Verhältnis zur transportier­ ten Wassermenge pro Zeiteinheit klein ausgebildet werden.

Man kann für den Druckstollen dann den Querschnitt wählen, der für das Auf­ fahren und Auskleiden der Druckstollen optimale Bedingungen gewährleistet. Diese relativ kleinen und in an sich bekannter Weise rund ausgebildeten Druck­ stollen halten bei dem vorhandenen Wasserdruck im Innern des Stollens und bei dem äußeren Gebirgswasserdruck allen auftreten den Belastungen stand.

Mit den heute vorhandenen Technologien des Schacht- oder Stollenvortriebes und ihrer druckfesten Auskleidung beschränkt man die Kosten und die Bau­ zeiten für die Herstellung langer Stollen und der gesamten Anlage in erhebli­ chem Maße.

Die Einsatzgebiete dieses Prinzips der Triebwasserführung sind praktisch unbegrenzt, sobald ein nutzbarer, stabiler Wasserzufluß in einer entsprechen­ den Höhe und eine Unterwasserabführung in einer vertretbaren Entfernung gegeben ist. Das Prinzip ist sowohl für Hochdruck- als auch für Niederdruck- Kraftanlagen einsetzbar.

Muß man größere Entfernungen mit dem Druckstollen überwinden, dann sind zwar entsprechende Wasserschlösser nicht zu vermeiden. Die Schächte für diese Wasserschlösser können, ebenso wie der Sinkschacht, mit hocheffektiv arbeitenden Maschinen und Anlagen hergestellt werden. Sie dienen in der Bauphase als Auffahrschächte um die Druckstollen an mehreren Abschnitten gleichzeitig vorzutreiben. Die Herstellungszeiten solcher Anlagen insgesamt verkürzen sich dadurch deutlich.

Diese Auffahrschächte werden nach der Fertigstellung der Druckstollen die Steigrohre für die Wasserschlösser und die Anlagen für die Zufahrt zum Druck­ stollen aufnehmen.

Den Richtungswechsel des fließenden Triebwassers unter den Bedingungen des hohen Wasserdruckes im unteren Abschnitt des Sinkschachtes kann man auf relativ einfache Weise dadurch realisieren, daß man unterhalb des Abgang es des Druckstollens aus dem Sinkschacht in der Verlängerung des Sinkschachtes einen sogen. "Sumpf" anordnet und die innere Wasserführung vom Sinkschacht zum Druckstollen nach optimalen Bewegungsgesetzen hinsichtlich der Be­ schleunigung ausbildet.

Die äußere Führung des Wasserstromes erfolgt dann durch das im Sumpf zurückgehaltene Wasser. Dieses eingeschlossene Wasser dämpft evtl. auf­ tretende Stöße und gewährleistet eine Führung des fließenden Wassers nach optimalen Bewegungsgesetzen. Strömungsabrisse und die gefürchteten Unter­ drücke werden zuverlässig vermieden. Verschleißprobleme in diesem Bereich sind nahezu ausgeschlossen.

Mit der stufenweisen oder allmählichen Verringerung des Querschnittes des Sinkschachtes oberhalb des Abzweiges des Druckstollens - nach Anspruch 3 - kann man die Sinkgeschwindigkeit den jeweiligen Erfordernissen anpassen. Im oberen Teil des Sinkschachtes darf die Sinkgeschwindigkeit des Wassers auch partiell nicht größer sein als die Auftriebsgeschwindigkeit der Luftblasen oder von Teilen der Gischt.

Im unteren Teil des Sinkschachtes stehen einmal die Stabilität des Schachtes an sich und die Bedingungen für die Ablenkung der Strömung im Vordergrund. Für diese Probleme ist ein kleinerer Querschnitt des Sinkschachtes von Vorteil.

Derartige Triebwasserführungen können sowohl bei Hochdruckanlagen als auch bei Niederdruckanlagen eingesetzt werden. Bei Hochdruckanlagen bietet der Gebirgswasserdruck dem Druck im Druckstollen einen entsprechenden Wider­ stand, so daß während des Betriebes auch unter diesen extremen Bedingungen ein störungsfreier Langzeitbetrieb möglich ist.

Bei Niederdruckanlagen kann man den Sinkschacht tiefer ausführen als die max. nutzbare Fallhöhe. Auf diese Weise verlagert man den Druckstollen in relativ tiefe, stabile Erdschichten. Dort ist einmal der nötige Gebirgsdruck von außen zuverlässig gegeben und zum anderen werden diese tiefen Bereiche von der Besiedlung an der Erdoberfläche auch in den Bereichen von Großstädten nicht berührt.

Das Triebwasser wird im Bereich des Unterwassers wieder nach oben geführt und treibt dort mit der Energie der tatsächlichen Fallhöhe eine entsprechend angepaßte Turbinenanlage.

In allen Fällen hat sich bewährt, die Neigung des Druckstollens im horizontalen Abschnitt kleiner zu wählen als 0,35%, vorzugsweise 0,1%. Dieser Neigungs­ winkel dient lediglich der Überwindung der Reibung zwischen dem Wasser und der Stollenwand.

Den Übergang vom horizontalen zum vertikalen Druckstollenabschnitt kann man ähnlich gestalten, wie den Übergang vom Sinkschacht zum Druckstollen (An­ spruch 6). Auch hier erreicht man mit der Anordnung des Sumpfes einen optimierten Belastungsverlauf.

Schwebstoffe werden ausgeschieden und können Bedarf entfernt werden.

Mit der Zuordnung von Pumpsystemen im Bereich der Übergänge gemäß Anspruch 7 kann man die Sümpfe reinigen und/oder den Druckstollen unterhalb des Unterwassers leerpumpen.

Mit der Ausführung nach Anspruch 8 kann man auch zwischen der Entnahme­ stelle am Oberwasser und der Rückführstelle am Unterwasser in hoch liegenden Geländeabschnitten oberhalb der Druckstollen an den Wasserschlössern Wasser entnehmen und dasselbe z. B. zu Beregnungszwecken und dergleichen nutzen.

Eine hohe Stabilität des Druckstollens erreicht man, nach Anspruch 9, dadurch, daß man zwischen dem Gebirge und der Außenwand des Stollens eine begrenzt elastische Zwischenschicht vorsieht.

Mit einer glatten Oberfläche im Stollen reduziert man den Fallhöhenverlust. (Anspruch 10).

Drei Triebwasserführungen im Bereich langsam fließender schiffbarer Ströme oder Flüsse mit geringer Strömungsgeschwindigkeit ist es zweckmäßig den Sinkschacht und Druckstollen nach Anspruch 11 zu gestalten. Man erhält damit die Möglichkeit, auch bei Entnahme großer Wassermengen, die Schiffbarkeit der Flüsse zu erhalten.

Mit der Gestaltung der Triebwasserzuführung nach Anspruch 12 wird es möglich, die Kraftwerksanlage in Abhängigkeit von der Menge des bereitstehenden Triebwassers weitgehend automatisiert zu steuern.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung der Triebwasserführung für ein Hochdruck-Wasserkraftwerk im Gebirge,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Triebwasserführung für ein Niederdruck- Kraftwerk im Mittelgebirge bzw. Flachland,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Auffahrschacht im ausgebauten Zustand entsprechend einem Schnitt III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Druckstollen entlang der Linie IV-IV in Fig. 1 und

Fig. 5 eine Landschaftsskizze einer Triebwasserführung im Bereich eines schiffbaren Flusses und im Bereich einer Großstadt.

In Fig. 1 ist die Triebwasserführung für ein Hochdruck-Wasserkraftwerk im Gebirge dargestellt. Das vorzugsweise in einem hoch liegenden Stausee gespei­ cherte Triebwasser wird als sog. Oberwasser 1 über den Einleitungsabschnitt 11 entnommen und dem Sinkschacht 3 zugeführt. Im Bereich dieses Einleitungs­ abschnittes 11 ist eine ein- oder mehrstufige Siebanlage (nicht dargestellt) sowie eine Schieberanlage 12 vorgesehen.

Das Oberwasser 1 wird vom Einleitungsabschnitt 11 mit an sich bekannten Mitteln und Maßnahmen so in den Sinkschacht 3 geführt, daß Luft und Gischt nicht mit in den Sinkschacht 3 gelangen bzw. zuverlässig aus diesem entfernt werden.

Das erreicht man indem man im Eingangsabschnitt zunächst eine zirkulierende Strömung mit relativ begrenzter Geschwindigkeit zuläßt. Bei dieser Art der Triebwasserführung sammelt sich die Luft und evtl. Gischt im Zentrum des Einlauftrichters. Sie kann in gesonderten Rohrleitungen nach oben abgesaugt werden.

Im Übrigen sorgt man dafür, daß im oberen Bereich des Sinkschachtes 3 die Sinkgeschwindigkeit des Wassers nicht größer ist als die Auftriebsgeschwindig­ keit der Luftblasen. Man rechnet bei einem Durchmesser von etwa 6 m mit einer Sinkgeschwindigkeit von 2 m/sec.

In einem tieferen Abschnitt des Sinkschachtes 3 kann man stufenförmig oder kontinuierlich den Querschnitt des Sinkschachtes 3 verringern und damit die Sinkgeschwindigkeit erhöhen (vergl. Fig. 2).

Im unteren Abschnitt des Sinkschachtes 3 wird seitlich das Triebwasser in den nahezu horizontal verlaufenden Druckstollen 4 geleitet. Zur Ablenkung des Triebwassers in den Druckstollen 4 ist unterhalb des Druckstollenabganges in der Verlängerung des Sinkstollens 3 ein Sumpf 32 angeordnet. Das darin zu­ rückgehaltene Wasser bildet den Widerstand für das mit großer Wucht von oben einfließende Wasser und leitet dasselbe nach optimalen Bewegungsgesetzen in den Druckstollen 4.

Der innere Übergangsabschnitt 33 für den Triebwasserstrom ist bogenförmig gestaltet. Seine Form entspricht zweckmäßigerweise einem Bewegungsgesetz, bei dem die Beschleunigung des Triebwassers in die neue Richtung nicht schlagartig auf sehr hohe Werte ansteigt und über den gesamten Bereich der Ablenkung nahe einem endlichen Höchstwert geführt wird.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das abgelenkte Wasser unmittelbar nach dem Richtungswechsel zunächst noch einmal in einem flachen Winkel nach oben und dann allmählich in die Ebene des Druckstollens zu führen (nicht dargestellt). Beschleunigungsänderungen im Wasser, die zu hohen Unterdrücken in bestimmten Bereichen führen, sind möglichst auszuschließen.

Der Sumpf 32 ist allseitig im Gebirge zu stabilisieren und ggf. durch Stahlpanzer zu schützen.

In diesem Sumpf 32 können sich vom Wasser mitgeführte Fremdkörper wie Kies, Schwemmsand und Steine sammeln. Dieser Sumpf 32 kann je nach Anfall dieser Ablagerungen mit Hilfe entsprechender Pumpanlagen (nicht dargestellt) gereinigt werden.

Im Druckstollen 4 wird das Triebwasser dann bei einem Durchmesser von etwa 3 m mit einer Geschwindigkeit zwischen 5 und 12 m/sec geführt. Die Geschwin­ digkeit wird durch die Regelung der Wasserentnahme mit Kugelschiebern 44 im Bereich der Turbinen 71 bestimmt.

Diese Geschwindigkeit ist wiederum abhängig von der Triebwasserbereitstellung im Bereich des Oberwassers 1.

Im Regelfall hat dieser Druckstollen 4 ein Gefälle von etwa 0,1%. Dieses Gefäl­ le reicht aus, um die Fließgeschwindigkeit unter den bestehenden Bedingungen über die gesamte Strecke konstant zu halten. Im Bereich des Sinkschachtes 3 muß, je nach der Länge des Druckstollens 4, mindestens ein Wasserschloß 5 angeordnet sein, über das evtl. mitgerissene Luftblasen oder dergl. nach oben abgeleitet werden können.

Die für das Wasserschloß 5 notwendigen senkrechten Schächte werden wäh­ rend des Baues der Triebwasseranlage als sog. Auffahrschächte 6 nieder­ gebracht. Vom Boden dieser Schächte 6 kann man den Druckstollen in jeweils 2 Richtungen gleichzeitig vorantreiben und somit die Bauzeiten für die Trieb­ wasseranlage deutlich verkürzen.

Der Vortrieb und der Ausbau der Druckstollen 4 erfolgt heute mit Hilfe von hochproduktiven Bohranlagen, die das Gestein an der Stirnfläche des Stollens gleichmäßig abtragen und es rückwärtig aus dem Stollen herausfördern. Parallel zu dieser Anlage wird eine zweite Anlage zur Auskleidung des Druckstollens 4 geführt, die zunächst eine begrenzt elastische Schicht z. B. Bitumen auf das Gebirge aufträgt. Diesem Arbeitsgang folgt dann das Aufspritzen einer Beton­ schicht. Nach dem Einsetzen von Stahlrohrabschnitten wird vor Ort der ringför­ mige Raum zwischen Stahlrohr und vorgesichertem Gebirge unter Druck mit Beton vergossen (vergleiche auch Fig. 4).

Mit dieser Vortriebs- und Ausbautechnik kann man in relativ kurzen Zeiträumen sehr lange und stabile Druckstollen 4 auffahren und ausbauen.

Ist der Druckstollen 4 in seiner gesamten Länge, die mehr als 100 km betragen kann, fertiggestellt, werden in die Auffahrschächte 6 die Steigleitungen 51 für die Wasserschlösser 5 und evtl. Rohre für den Zufahrtsschacht 61 oder Schäch­ te für die Wartung des Druckstollens 4 eingebracht. Sowohl die Steigleitung 51 als auch der Zufahrtschacht 61 befinden sich innerhalb des Durchmessers des Auffahrschachtes 6.

Der Zufahrschacht 61 kann dabei neben der Steigleitung 51 oder auch innerhalb desselben angeordnet sein. Berücksichtigt man, daß der Zugang zu dem Druck­ stollen nur dann erfolgt, wenn Sinkschacht 3 und Druckstollen 4 leer sind, können die Steigleitungen 51 der Wasserschlösser 5 als Zugänge direkt genutzt werden.

Nahe dem Unterwasser 2 wird das über den Druckstollen 4 herangeführte Triebwasser über Verteilerleitungen einer oder mehreren Turbinen 71 zugleitet. Das aus den Turbinen 71 austretende Wasser gelangt über die Triebwasserrück­ führung 21 zum Unterwasser 2.

Die Triebwasserrückführung 21 ist meist als Freispiegelkanal ausgebildet, des­ sen erster Abschnitt einen größeren Querschnitt aufweist, der als sog. Schwall­ raum dient.

Mit dieser Triebwasserführung kann man nahezu unabhängig von der Struktur des Gebirges das Triebwasser praktisch von jedem beliebigen Punkt des Gebir­ ges zu sehr tief gewählten Punkten des Unterwassers geführt werden. Man ist nicht auf bestimmte Faltenstrukturen der Gebirgsmassive angewiesen. Die Ausbildung von Wasserschlössern 5 kann bei fehlender Höhe des Gebirges auch in Turmform (Fig. 2) erfolgen, wobei gegenwärtig Turmhöhen von mehreren hundert Metern durchaus realisierbar erscheinen. Wichtig ist eine Stabilisierung der Wandstrukturen Steigleitungen 51 im unteren Bereich und das Anordnen von Schwallräumen 511 nahe am Druckstollen 4.

Im oberen Bereich reichen in der Regel geringe Querschnitte und geringe Wanddicken für das Führen des Wassers und die Abführung der Luft.

Das im Bereich dieser Wasserschlösser 5 auf hohem Geländeniveau angebote­ ne Wasser kann in begrenzter Menge auch für Bewässerungsaufgaben bereit­ gestellt werden. Über Ventile 512 kann unterhalb der Drucklinie B Wasser entnommen werden und Bewässerungskanälen 52 zugeführt werden.

Die für die Energieerzeugung zweckmäßige Turbinenform kann entsprechend der verwertbaren Fallhöhe H in herkömmlicher Weise gewählt werden.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Triebwasserführung für eine Niederdruck- Wasserkraftanlage dargestellt. Im Bereich des Oberlaufes eines Flusses 8 oder Stromes wird ein Teil des Wassers dieses Flusses 8 als Oberwasser 1 abge­ zweigt und in den Sinkschacht 3′ eingeleitet.

An einer räumlich weit entfernten zweiten Stelle, die vorzugsweise vom selben Fluß 8 gekreuzt wird, jedoch eine niedrigere absolute Höhe aufweist, wird das Triebwasser dem Fluß 8 zurückgeführt.

Diese Rückführposition bezeichnen wir als das Unterwasser 2′. Der absolute Differenzbetrag D der Höhe zwischen Oberwasser 1 und Unterwasser 2′ ist größer als die Reibungshöhe R des Druckstollens 4 zwischen dem Ober- und dem Unterwasser. Das bedeutet, daß eine nutzbare Fallhöhe H′ gegeben ist.

Das Oberwasser 1 wird ebenso, wie hinsichtlich der Fig. 1 erläutert, in den Sinkschacht 3′ eingeführt und am unteren Ende in den Druckstollen 4 geleitet. Dieser Druckstollen 4 verläuft in einer Tiefe, die sich unter allen üblichen Ein­ bauten in die Erdoberfläche befindet.

Er hat ein Gefälle, das es ermöglicht, die Fließgeschwindigkeit zu erhalten. Unterhalb der Turbine 71, in der Nähe des Unterwassers 2 wird der Druckstollen 4 bogenförmig in einen senkrechten Steigstollen 45 übergeführt und gelangt von dort zur Turbine 71.

Diese Ausführung der Triebwasserführung hat den Vorteil, daß das Triebwasser in einer horizontalen Ebene geführt wird, in der sich einerseits keine weiteren Einbauten, wie U-Bahn-Schächte, Abwasserkanäle u. dgl. befinden.

Bei dieser recht tiefen Führung besitzt das Gebirge in sich eine relativ hohe Festigkeit und Stabilität und ist in der Lage, dem Innendruck des Druckstollens zu widerstehen.

Andererseits ist die übliche Auskleidung und Stabilisierung dieser Druckstollen 4 auch dann in der Lage, dem äußeren Wasserdruck zu widerstehen, wenn der Innenraum des Druckstollens 4 leer ist.

Die Herstellungsverfahren für das Niederbringen von Sinkschächten 3′ im Be­ reich des Oberwassers 1 und des Unterwassers 2 und das Auffahren von Druckstollen 4 zwischen diesen beiden Schächten (3, 45) können heute mit teilautomatisierten Anlagen in kurzer Zeit hergestellt werden.

Eine solche Anordnung der Triebwasserführung braucht keine Auf- und Ein­ bauten an der Erdoberfläche zu meiden. Sie braucht auch nicht durch gesonder­ te Bauwerke unter- oder überbrückt zu werden.

Die Kosten für eine derartige Triebwasserführung sind auch dann vertretbar, wenn sich dieselbe über mehr als 100 km erstreckt.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Druckstollen 4 mindestens in einer Tiefe von 30 bis 40 m zu führen. In dieser Tiefe ist das Gebirge bereits so stabil, daß es einerseits den Druckstollen 4 wirkungsvoll stützen kann und andererseits beim Bau des Stollens die Phase zwischen dem Bohren und dem Auskleiden unbeschadet übersteht.

Die Umlenkung des Druckstollens 4 im Bereich des Unterwassers 2 nach oben in den Steigstollen 45 zur Turbine 71 wird zweckmäßigerweise in einem geboge­ nen Abschnitt des Druckstollens 4 realisiert.

Zur stoßfreien Ablenkung des Triebwassers kann auch hier, ähnlich wie beim Sinkschacht 3 beschrieben, ein Sumpf 451 vorgesehen sein, der die Bewe­ gungsbahn des Triebwassers außen begrenzt. An der Innenseite führt der bogenförmig gestaltete Übergangsabschnitt 452 das Triebwasser in den Steig­ stollen 45.

An dem Sumpf 451 wird ein Pumpensystem 46, 461 angeschlossen. Mit diesem Pumpensystem 46, 461 kann man einerseits den Sumpf 45 von Schwemmstoffen befreien. Zum anderen ist es möglich, bei abgestelltem Zulauf von Triebwasser im Bereich des Oberwassers 1 den unterhalb des Wasserspiegels des Unter­ wassers 2 befindlichen Raum in der Triebwasserführung zu entleeren.

In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, daß bei einer begrenzten Differenzhöhe D zwischen dem Unterwasser 2 und dem durchschnittlichen Druckstollenniveau eine Inspektion des Druckstollens auch mit Hilfe eines Unterwasserfahrzeuges erfolgen kann.

Auch bei einer Triebwasserführung gemäß Fig. 2 kann es zweckmäßig sein, längs des Druckstollens 4 zum Zwecke des Auffahrens der Druckstollen 4 zusätzliche Auffahrtsschächte 6 vorzusehen. Im Bereich dieser Auffahrtsschäch­ te 6 können, wie bereits beschrieben, Steigleitungen 51 für die Wasserschlösser 5 und Zugänge angeordnet werden.

Im Bereich der Druckstollen 4 können vor oder hinter diesen Auffahrtsschächten 6 Sperrschieber (nicht eingezeichnet) in einer zweckmäßigen Form vorgesehen werden, die es ermöglichen, Teile der Druckleitung, getrennt von anderen Teilen derselben, zu entleeren und/oder zu reparieren.

In Fig. 4 ist eine Form der Auskleidung eines Druckstollens 4 gezeigt. Das Gebirge, durch das der Druckstollen führt, wird mit bekannten Vortriebs­ geräten kreisrund gebohrt. Die dabei entstehenden Flächen des Gebirges sind relativ glatt und im hohen Maße maßhaltig. Dem Bohren folgt unmittelbar das Belegen oder Bespritzen mit einer begrenzt elastischen Schicht 41. In der Folge wird entweder ein Stahl- oder Plastmantel 43 als zentrale Verschalung einge­ bracht und der Zwischenraum mit einer Betonschicht verpreßt.

Ein Plastmantel 43 besteht vorzugsweise aus einem hochfesten laminierten Kunststoff-Verbund-Material. Er ist ausreichend verschleißfest, stabil und glatt und gewährleistet hohe Fließgeschwindigkeiten bei hohen Drücken.

In Fig. 5 ist eine Geländeskizze im Bereich eines Flusses 8 dargestellt. Dieser Abschnitt des Flusses 8 erstreckt sich von einem Gebiet eines Mittelgebirges bis in das weit entfernte Flachland. In diesem Abschnitt durchquert der Fluß 8, so wie es oft anzutreffen ist, eine oder mehrere Großstädte.

Auf einer Länge von etwa 120 bis 150 km überwindet der Fluß eine Fallhöhe von etwa 150 bis 200 m. Führt man, beginnend vom Oberwasser 1 bis zum Unterwasser 2, einen Druckstollen 4 nahezu auf der Luftlinie zwischen beiden Punkten mit einem Gefälle von etwa 0,1%, dann verkürzt sich einerseits die durchströmte Länge von beispielsweise 150 km auf 100 km. Zum anderen besitzt der Druckstollen 4 eine Höhendifferenz (R) von nur 10 m. Es bleibt eine nutzbare Fallhöhe von 140 bzw. 190 m. Die damit erzielbaren Energiemengen haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung.

Gegenüber herkömmlichen Anlagen reduzieren sich die Gesamtkosten und auch die Bauzeiten in erheblichen Größenordnungen.

Zur Sicherung eines nutzbaren Pegelstandes zwischen Oberwasser 1 und Unterwasser 2 in dem genutzten Fluß 8 kann man in regelmäßigen Abständen in Abhängigkeit von der durchquerten Fallhöhe Wehre 81 einbauen, die durch die Schiffe, die auf dem Fluß verkehren, mit Hilfe von Schleusenanlagen über­ wunden werden können.

Der durch die Wehre 81 veränderte Pegelstand sollte den natürlichen maximalen Pegelstand des Flusses nicht überschreiten. Hält man diese Regel ein, dann sind auch keine Korrekturen in der Bebauung der Uferzone nötig.

Der Wasserdruck kann im Bereich solcher Wehre 81 in Grenzen gehalten werden. Dadurch sind für Wehre 81 solcher Art keine extrem tiefen Gründungen notwendig. Die Kosten für eine größere Zahl dieser Wehre 81 liegen in vertret­ baren Größenordnungen.

Führt man den Druckstollen 4 in einer angemessenen Tiefe, dann kann man mit ihm sowohl Großstädte als auch Flußabschnitte des angezapften Flusses 8 unterqueren.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, jedem Druckstollen 4 mehrere Turbinen 71 zuzuordnen. Installiert man im Bereich des Oberwassers 1 einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung der verfügbaren Wassermenge, dann kann man bei rechnergesteuerter Auswertung nach vorgegebenen Kriterien die Turbi­ nen einzeln oder gemeinsam abschalten.

Bezugszeichenliste

1, 1′ Oberwasser
11 Einleitungsabschnitt
12 Schieberanlage
2, 2′ Unterwasser
21 Triebwasser- Rückführung
22 Schwallraum
3, 3′ Sinkschacht
3a oberer Abschnitt
3b unterer Abschnitt
31 Stufe
32 Sumpf
33 Übergangsabschnitt, innen
4, 4′ Druckstollen
41 elastische Schicht
42 Betonauskleidung
43 Stahlmantel (auch Plastmantel)
44 Kugelschieber
45 Steigstollen
451 Sumpf
452 Übergangsabschnitt
46 Pumpe
461 Druckleitung
5 Wasserschloß
51 Steigleitung
511 Schwallraum
512 Ventil
52 Bewässerungskanal
6 Auffahrschacht
61 Zufahrschacht
62 Verfüllung
7 Kraftanlage
71 Turbine(n)
72 Triebwasserabführung
8 Fluß
81 Wehre mit Schleuse
A Höhenlinie (Oberwasser)
B Drucklinie
D Differenzbetrag
H, H′ Fallhöhe, verwertbar
R Reibungshöhe

Claims (13)

1. Triebwasserführung für Wasserkraftwerke über große Entfernungen zwischen Oberwasser und Unterwasser,

• - mit einem an das Oberwasser angrenzenden Einführungsabschnitt (11)
• - mit einer Langstrecken-Wasserführung zwischen Einführungsabschnitt (11) und Turbine (71), die eine Neigung zur Überwindung der Reibungsverluste besitzt,
• - mit einem Sinkschacht (3) zur Überwindung der Höhendifferenz zwischen Oberwasser (1) und Unterwasser (2)
• - mit einem Druckstollen (4), der das Triebwasser mit Arbeitsdruck der Turbine zuführt,
• - mit mindestens einem Wasserschloß (5) und
• - mit einer Triebwasserabführung (72) zwischen der Turbine (71) und dem Unterwasser (2),

dadurch gekennzeichnet,
daß unmittelbar an den Einleitungsabschnitt (11) anschließend, ein vorzugsweise senkrechter Sinkschacht (3) vorgesehen ist,
der als Druckschacht zur Überwindung der nutzbaren Fallhöhe (H, H′) ausgebildet ist,
daß die Langstrecken-Wasserführung als Druckstollen (4) ausgebildet ist und sich dieser Druckstollen (4) vom unteren Ende des Sinkschachtes (3) bis zur Turbine erstreckt und
daß längs des Druckstollens (4) mindestens ein Auffahrschacht (6) zur Erdoberfläche angeordnet ist, der eine Steigleitung (51) des Wasser­ schlosses (5) und Zufahrtelemente (61) zur Wartung des Druckstollens (4) aufweist.

2. Triebwasserführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckschacht unterhalb des Abganges des Druckstollens (4) als Sumpf (32) ausgebildet ist und
daß die Innenseite des Übergangabschnittes (33) vom Sinkschacht (3) zum Druckstollen (4) einem Bewegungsgesetz mit optimierten Beschleunigungsverlauf folgt.

3. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Sinkschachtes (3, 3′) nach unten hin verjüngt.

4. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Druckstollens (4) kleiner ist als 0,35% vorzugsweise 0,1%.

5. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinkschacht (3′) tiefer ist als die Höhendifferenz zwischen Oberwasser (1) und Unterwasser (2) und daß der letzte Abschnitt des Druckstollens (4) als Steigstollen (45) nach oben zur Turbine (71) gerichtet ist.

6. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß am Übergang vom horizontalen Abschnitt des Druckstollens (4) zum Steigstollen (45) in der Verlängerung des horizontalen Abschnittes ein Sumpf (451) angeordnet ist und
daß der Übergangsabschnitt (452) an der Innenseite bogenförmig aus­ gebildet ist.

7. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Sümpfen (32, 452) Pumpsysteme (46, 461; 34, 341) zugeordnet sind.

8. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Wasserschlösser (5) Ventile (512) für die Wasserentnahme angeordnet sind, denen Bewässerungskanäle (52) zugeordnet sind.

9. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstollen (4) mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist, der sich mit seiner vorort gegossenen Betonwand (42) über eine begrenzt elastische Schicht (41) am Gebirge abstützt.

10. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstollen (4) an seiner Innenwand mit einer glatten Schicht, vorzugsweise mit einer Kunststoffschicht (43), belegt ist.

11. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Nutzung eines langsam fließenden, ggf. schiffbaren Oberwassers (1) der Sinkschacht (3′) tiefer ist als 30 m und
daß im Bereich des fließenden Gewässers (8) mindestens zwei Wehre (81) angeordnet sind, deren Höhe kleiner ist als der Pegelbereich des fließenden Gewässers (8).

12. Triebwasserführung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Druckstollen (4) mehrere Turbinen (71) zugeordnet sind,
daß im Bereich des Oberwassers (1) Sensoren zur Erfassung der verfügbaren Wassermenge angeordnet sind und
daß die Turbinen (7) in Abhängigkeit von der verfügbaren Wassermenge einzeln zu und abschaltbar sind.