Асфальтовые уплотнения

Нашими исследованиями при строительстве и эксплуатации ряда гидротехнических сооружений, расположенных на скальных основаниях, установлено, что конструкции асфальтовых шпонок большого и малого (15x15 - 25x25 см) поперечного сечения с внутренними ограждающими металлическими листами, паронагревом пли электронагревом и приставными бетонными корытами не обеспечивают водонепроницаемости и пропускают воду через швы Усть-Каменогорской, Бухтармннской, Кременчугской, Мамаканской и Братской ГЭС, а также шлюзы Каховской и Новосибирской ГЭС).

При устройстве шпонок малого сечения, в связи с использованием приставных железобетонных корыт, для образования второй половины шахты шпонки необходимо отогнуть металлический лист ограждения и стыковать его с последующим. Выполнить эту работу доброкачественно сложно из-за трудности получения правильной формы листа перед корытом, поскольку при изгибе листа струбцинами получается извилистая кромка листа, плотного прилегания корыт к полости шва добиться не удается. В связи с этим неизбежно образуется зазор между поверхностью секции первой очереди бетонирования и корытом. Указанные недостатки приводят к фильтрации воды в обход шпонки.

В местах стыкования электродов и их изоляции часто наблюдаются разрывы в цепи, замыкания электродов и электрическая связь электродов с арматурой бетона сооружения. Поэтому нормальную работу электронагрева гарантировать трудно.

На плотине Усть-Каменогорской ГЭС асфальтовая шпонка имеет малое поперечное сечение 15x15 см с электронагревом и ограждена с напорной грани оцинкованным железом, а с низовой - просмоленным пеньковым канатом. Для сбора профильтровавшейся воды н сброса ее в нижний бьеф предусмотрена дрена.

Для придания свободной подвижки одна половина оцинкованного листа смазывалась 3 раза горячим битумом, а другая половина оклеивалась битумными матами толщиной 10 мм. В качестве материала для заполнения асфальтовой шпонки использовался чистый битум марки БН-Ш. Поверхность шва между секциями на расстоянии 2,0-3,5 м от граней сооружения оклеивалась- 1-3 слоями ребуройда (число слоев зависело от температуры воздуха при бетонировании). Произведенная цементация для предотвращения фильтрации воды в температурных швах в конце строительства не дала положительного результата.

Многолетние наблюдения за состоянием температурных швов показали, что большинство уплотнений фильтрует. В отдельных швах наблюдается расход до 5-6 л/с, что характеризует неудачную работу принятой конструкции уплотнения, а также недоброкачественное ее выполнение. На Бухтарминской ГЭС установлено, что для определения эффективности принятой системы ц-образного электронагрева по глубине шпонки в потерне из смотровой шахты производилось перфораторное бурение 0 45 мм по направлению асфальтовой шпонки. На расстоянии 1,0 м из-за сильной струн воды (расход до 100 л/с) пришлось прекратить дальнейшее бурение. Это говорит о наличии в шпонке каверны и об отсутствии контакта между электродами в системе электронагрева.

Ввиду того, что смотровые шахты проходят через потерны, весьма затруднительна их изоляция от последних в случае заполнения шахт асфальтовой мастикой и превращение их в асфальтовые шпонки.

Оклейка битумматами ограждающей диафрагмы асфальтовой шпонки в зимний период затруднена из-за потери их эластичности при отрицательных температурах; требуются дополнительные затраты на произыодство работ при отсутствии утопленного шатра.

При бетонировании блока бетон плохо прорабатывается и не прижимается к листу битуммата, остается щель вокруг наклеенного бптуммата, особенно в изгибе наклейки к полости шва. Фильтрацию воды устранить трудно (она доходила до 2 л/с).

Для всей конструкции уплотнения, где применяется оцинкованное железо толщиной 1,5-2,0 мм, оно не прочно, а стыкование внахлестку заклепками ненадежно и не устраняет фильтрации.

На здании Новосибирской ГЭС почти все шпонки в феврале 1962 г. и апреле 1963 г. доливали битумом БН-Ж. Осадка заливки составляла 0,7-1,2 и 1,5 м, хотя вытекания битума из шпонок не наблюдалось.

На строительстве Кременчугской ГЭС асфальтовые шпонки 80x100 см с паронагревом и внутренними ограждающими металлическими листами со стороны верхнего и нижнего бьефов требовали производства таких трудоемких работ, как установка деревянной опалубки; снятия опалубки шахты уплотнения (особенно после бетонирования второй очереди); очистка полости от строительного мусора; подготовка бетонных поверхностен полости шахты; окраска всего периметра стены шпонки бензино-битумным раствором за три раза (включая грунтовку); оклейка асфальтовыми матами в два слоя с размещением между ними металлического листа и заливку асфальтовой мастикой; стыкование металлических листов внахлестку заклепками внутри шахты шпонки; монтаж металлического листа внутри шахты шпонки между асфальтовыми матами, требующий плотного прижима листов к стенкам с помощью деревянных реек 5x5 см. Кроме того, проводились работы с повышенной опасностью, такие, как окраска стен шахты в среде вредных паров, выделяемых огнеопасными бензино-битумными смесями, и монтаж металлических листов.

В первые годы работы асфальтовых шпонок верхнего и нижнего бьефов наблюдалась обильная фильтрация через некоторые температурные швы. Было установлено, что фильтрация происходила в основном не через асфальтовые шпонки, а в обход их. Это объяснялось тем, что асфальтовые шпонки далеко выдвинуты от напорных стенок в бьефы, а бетон в районе пазовых конструкций, сильно насыщенных арматурой, уложен некачественно. В связи с этим, после производства цементационных работ на ГЭС суммарная фильтрация воды через температурные швы резко сократилась (суммарная - зимой 15, летом 10 л/с). Недостатком оказалось также и то, что водосбросные трубы из смотровых шахт выводились в общий коллектор без задвижек, что не давало возможности контролировать величину фильтрационных расходов воды через каждый шов в отдельности. Кроме того, при больших фильтрационных расходах в смотровых шахтах верхнего бьефа уровень воды выравнивался с уровнем воды в смотровых шахтах нижнего бьефа, а это вызывало опасность затопления трансформаторной площадки.

На водосливной плотине Кременчугской ГЭС основным уплотнением являлась вертикальная асфальтовая шпонка, огражденная диафрагмами из нержавеющей стали. Предусматривался электронагрев шпонок. В процессе строительства большинство уплотнении швов плотины было заменено (выше фундаментной плиты) на комбинированные уплотнения.

Опытом эксплуатации (с 1960 по 1966 г.) гидросооружений Кременчугского гидроузла установлено, что уплотнения температурных швов, выполненные при помощи асфальтовых шпонок малого и большого сечений, из резиновых и металлических диафрагм показали вполне удовлетворительную работу. Неудовлетворительными оказались уплотнения, где был применен стеклопластикат.

В процессе строительства в конструкции уплотнений были внесены следующие изменения: а) в асфальтовой шпонке было исключено ограждение в виде "плавающего" стального листа с верховой стороны; в аналогичном листе с низовой стороны отказались от наклейки битумматов; б) в здании ГЭС несколько асфальтовых шпонок сечением 80 х 100 см были заменены двумя рядами резиновых диафрагм, а на плотине асфальтовые шпонки сечением 25x25 см были заменены резиновыми диафрагмами. Принятые конструктивные решения по уплотнениям температурных швов оказались в эксплуатации вполне надежными.

На Мамаканской ГЭС, расположенной в резко континентальном климате, уплотнение швов выполнено в виде асфальтовой шпонки сеченном 25x25 см, огражденной с двух сторон металлическими диафрагмами с компенсаторами, которые отстоят друг от друга на расстоянии 1,40 м. Концы листов с отогнутыми краями жестко заделаны в бетон. При заделке обоих концов листа в бетон обеспечивалась большая надежность в отношении водонепроницаемости по контуру заделки листа, чем при обертке одного его конца бнтумматом. Стыковка листов производилась внахлестку на 100 мм. Разогревалась мастика с помощью. электродов из стержней диаметром 20 мм.

Несмотря на то, что все работы, связанные с устройством уплотнений, выполнялись удовлетворительно, в период опытного электронагрева обнаружилось, что некоторые шахты шпонок были засорены досками и кусками арматуры.

Из приведенных в период строительства сотрудниками Сибирского филиала ВНИИГ опытных прогревов шпонок на Мамаканской ГЭС установлено, что из 6 шпонок в трех не оказалось контакта в цепи электродов. Эти шпонки остались неразогретыми (из-за отсутствия контакта между электродами и др.).

Следует отметить, что асфальтовая шпонка с ограждениями в виде жестко заделанных в бетон металлических диафрагм с компенсаторами работала надежно. Отсутствие фильтрации воды через шов дает право судить об удовлетворительной ее работе.

Уплотнение температурных швов плотины Братской ГЭС выполнено в виде асфальтовых шпонок сечением 90x100 см, огражденных латунными диафрагмами с компенсаторами. На расстоянии 1,5 м от шпонки в сторону нижнего бьефа расположена смотровая шахта такого же сечения, как и асфальтовая шпонка. Температурный шов со стороны напорной и низовой граней плотины пере-крывался сборными железобетонными брусьями, оклеенными в местах примыкания к бетону блоков гидроизоляционным материалом. Прогрев асфальтовой мастики производится электрическим током.

При обследовании состояния уплотнения температурных швов на плотине Братской ГЭС (февраль 1971 г.) установлено, что между некоторыми секциями водосливной части плотины (53-54, 54-55, 56-57, 59-60, 61-62, 63-64) происходит выпор мастики на поверхность кромки шпонки (+1388,0). Помимо этого, с 7/ХII 1967 г. наблюдается выход воды из смотровых колодцев между секциями 55-56 (+1351,0) и 61-62 (11357,0) через горизонтальные строительные швы с интенсивностями в пределах 0,35-0,7 л/с.

Также выявлено, что состав асфальтовой мастики го высоте шпонки неоднороден; отрыв мастики происходит из глубины шахты шпонки в пределах 10-12,5 м.

Выпор мастики объясняется отсутствием сплошности между их послойными заливками, так как разогрев их не производится после ввода в эксплуатацию сооружения. В этом случае гидростатическое давление воды несколько больше, чем давление, создаваемое оторванной частью мастики.

В США уплотнение температурных швов контрфорсных плотин в связи с ограниченной длиной шва (6-10 м) выполнялось в виде асфальтовых шпонок сечением 15x15 см. Шпонка располагалась в 1,5-2 м от напорной грани плотины и ограждалась медными листами, устанавливаемыми от нее на расстоячии 0,5-1,0 м. Водонепроницаемость швов обеспечивалась за счет высокого качества работ.

В контрфорсных плотинах, построенных во Франции в период с 1957 по 1965 г., уплотнение температурных швов обеспечивалось за счет асфальтовых шпонок диаметром 10 см, расположенных с напорной стороны. Шпонка ограждена с верховой и низовой сторон медными диафрагмами. Ниже шпонки устраивалась смотровая шахта диаметром 80 см.

Уплотнение швов на плотинах Саланфе, Талеперре и Клэзон производилось при помощи асфальтовых шпонок диаметром 15 см, огражденных медными листами.

На плотине Паландьера уплотнение шва осуществлялось при помощи асфальтовой. шпонки треугольного сечения, ограждение выполнялось металлическими диафрагмами: медными с верховой и стальными с низовой стороны.

В Алжире в плотинах уплотнение температурных волнистых швов осуществлялось при, помощи асфальтовых шпонок малого сечения (25x25 см), огражденных латунными листами.

Уплотнение температурных швов, некоторых плотин в Чехословакии обеспечивалось асфальтовой шпонкой малого сечения (20 х 20 см) с ограждениями из металлических диафрагм. За асфальтовой шпонкой устраивался смотровой колодец размером 80x80 см. В период эксплуатации в некоторых шпонках наблюдалась незначительная фильтрация воды в пределах до 1,2 л/мин (плотина Вранов).

В Норвегии уплотнение швов обеспечивалось асфальтовыми шпонками малого сечения (25x25 см) при высоте плотин до 40x50 м. Шпонка ограждалась с верховой и низовой стороны медными диафрагмами. Ниже шпонки устраивался смотровой колодец поперечным сечением 1,0x1,0 м (плотины Моркфосс, Заль-бергфосс).

В другом случае температурный шов был уплотнен двумя асфальтовыми шпонками поперечным сечением 25x25 см, между которыми располагалась дрена 40x40 см (плотина Норе Тюнхорд ).

Уплотнение швов плотин в ГДР и ФРГ осуществлялось при помощи асфальтовых шпонок поперечным сечением 8 х 19 - 20x20 см. Внутри шпонок устанавливались медные диафрагмы. Шпонки по обе стороны ограждались просмоленными канатами. С низовой стороны шпонок устраивались смотровые колодцы поперечным сечением 75x75 см. В эксплуатационных условиях было установлено, что фильтрационный расход по швам достигает 0,12 л/с (плотина Целлербах).

В Новой Зеландии уплотнение швов обеспечивалось при помощи асфальтовых шпонок диаметром 10 см, огражденных с низовой и верховой стороны медными диафрагмами. От низового медного листа в сторону нижнего бьефа шов расширялся до 1,5-2,0 м, и после охлаждения бетона замыкающий блок заполнялся бетоном.

На плотине Бела Искер (Болгария), построенной в 1948 г., уплотнение швов осуществлялось при помощи асфальтовой шпонки трапецеидального сечения, огражденной с верховой стороны напорной грани плотины бутовой кладкой толщиной 60 см, а с низовой стороны - медной диафрагмой. На расстоянии 1,75 м от напорной грани за шпонкой была расположена шахта диаметром 60 см, в середине которой устанавливалась медная пластина толщиной 2 мм. Шахта служила резервной полостью, которая в случае выхода из строя асфальтовой шпонки могла быть заполнена мастикой. На расстоянии 2,2 м располагались две дренажные трубы диаметром 30 см. Длительная эксплуатация данной конструкции уплотнения показала вполне удовлетворительную ее работу.

Уплотнение швов плотины Круц Дель-Эйе (Аргентина) обеспечивалось при помощи асфальтовой шпонки, огражденной с верховой грани медной диафрагмой. Шов между оголовками контрфорсов заполнялся слоем ткани "целотекс" толщиной 12,5 мм, пропитанной. битумом, Собственно уплотнение шва в плотине состояло из пружинящего медного листа толщиной от 0,7 до 1,25 мм, шириной 200 мм. За медной диафрагмой была расположена асфальтовая шпонка прямоугольной формы. Вставленная в шов трубка диаметром 25,4 мм на уровне основания уплотнения переходила из одного разделительного шва в следующий. Во время пропуска пара через трубки уплотняющая асфальтовая мастика плотно заполняла шахту шпонки. Вторая шахта, расположенная на расстоянии 20 см от низовой грани шва, служила коллектором для отвода профильтровавшейся воды.

В Италии и Тунисе для уплотнения температурных швов контрфорсных плотин применяются асфальтовые шпонки малого поперечного сечения с электронагревом, огражденные с напорной стороны железобетонными брусьями и смотровыми колодцами или дренами с низовой стороны шва. На некоторых плотинах (Яблоница, Сен-Пьер-Конье, Сарран, Сувианна, Обераар и др.) конструкция уплотнения швов выполнялась без дублирующих уплотнений, в связи с чем при выходе конструкции из строя ремонт ее был затруднен или вообще невозможен. Учитывая это обстоятельство, в послевоенные годы (с 1948 г.) стали устраивать в швах по нескольку рядов одинаковых или разнотипных диафрагм (резиновые, поливиннлхлоридные, медные, из нержавеющей стали) и бетонные пробки. Целесообразность таких решений подтверждается опытом эксплуатации ряда плотин, например, Гранд-Диксанс, Бау Муджерис и др.

А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975