Ремонт гидротехнических сооружений

Принимаемые инженерные решения по типам, размерам, конструкциям ГТС должны в максимальной степени исключать возможность их повреждений. В то же время при проектировании гидротехнических сооружений должны максимально прорабатываться вопросы ремонтопригодности ГТС, учитывая, что любое строительство ГЭС является нетиповым и ведется в разных климатических, сейсмических, геологических, гидрологических, топографических и в тому подобных, часто не повторяющихся природных условиях. А, кроме того, ряд лет, в течение которых ведется наблюдение за природными характеристиками района строительства ГЭС, бывает недостаточно полным и продолжительным по сравнению с тем, что возводимым сооружениям предстоит служить 100-300 лет. Поэтому отсутствие исчерпывающих знаний как в области природных условий, так и в области инженерных расчетов, которые совершенствуются лишь по мере накопления данных, получаемых по результатам натурных наблюдений за ГТС, приводит к тому, что в процессе эксплуатации возникает необходимость проводить ремонт ГТС, иногда существенный по объемам работы, вплоть до восстановления полностью разрушенного ГТС.

На малых и средних ГЭС необходимо предусматривать возможность опорожнения водохранилища для проведения крупных ремонтных работ на ГТС, а также коренной их реконструкции.
На крупных ГЭС с высокими плотинами разработать схему полного опорожнения водохранилища по разным причинам достаточно сложно, поэтому необходимо предусматривать возможность проведения наиболее вероятных ремонтных работ на ГТС, находящихся под напором воды.

Наиболее часто встречающимися повреждениями в земляных сооружениях являются просадки, промоины, сползание откосов, усиленная проницаемость экранов, ядер, диафрагм, заиление дренажных систем и пьезометрических устройств, и т.п.

При ремонте сильно разрушенного поверхностного слоя бетона массивного сооружения необходимо удалить поврежденную часть бетона до здоровой, но не менее 0,5-1,0 м, что позволит установить анкера, дополнительную арматурную сетку и т.п., а также качественно проработать бетонную смесь новой укладки в слое между опалубкой и массивом. Неглубокие места (каверны) обычно заделываются полимерными материалами на основе эпоксидных смол.

При возникновении разрушений целых конструктивных элементов требуется выполнить специальный проект производства работ по их восстановительному ремонту с привлечением проектной организации. Примером такой сложной работы является восстановление водобойного колодца Саяно-Шушенской ГЭС или ликвидация крупных размывов русла отводящего канала с разрушением части рисбермы, например, на Волжской ГЭС (г. Жигулевск) в результате недостатков в проектировании этих сооружений.

В бетонных и железобетонных сооружениях часто разрушается защитный слой бетона в зонах переменного уровня воды, образуются трещины в массивах плотин и их элементах, возникает абразивный и кавитационный износ поверхностей водосбросов, коррозионный износ металлоконструкций, выход из строя элементов подземного противофильтрационного контура плотин и др.

Учитывая важность рассматриваемого вопроса остановимся подробно на двух конкретных случаях крупных восстанови тельных ремонтных работ, проведенных в водобойном колодце и в теле плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Схема сопряжения бьефов при пропуске холостых сбросов на Саяно-Шушенской ГЭС выполнена путем устройства водобойного колодца, имеющего трапецеидальную форму длиной по оси 144,8 м и ширину в плане у плотины 130,7, сужающуюся до 112,6 м у водобойной стенки.

Дно водобойного колодца было закреплено уложенными на бетонную подготовку армированными плитами. Равномерно плиты были прикреплены к скальному основанию простыми анкерами. Между плитами были установлены шпонки, которые должны были препятствовать проникновению гидростатического и гидродинамического давления в подплитное пространство. Фактически на практике избежать этого не удалось, и крепление было разрушено. Ширина зоны повреждения составляла 25-30 м, длина 60-65 м, глубина до 10 м. Объем вынесенного потоком бетона составлял около 10 тыс. м3. Общий объем поврежденного бетона, который необходимо было удалить, составил 53,2 тыс. м3 или 12,3% из общего геометрического объема водобойных устройств, в том числе 10 тыс. м3, вынесеных потоком.

Ремонт водобойного колодца выполнялся в несколько очередей, поскольку время, возможное для производства работ, могло предоставляться, лишь начиная с глубокой осени и в течение всей зимы (когда уже нельзя ожидать холостых сбросов из-за половодий и паводков). Этого времени не хватало для выполнения всего объема работ за один сезон, что создавало организационные трудности, а, кроме того, этот же период технологически неблагоприятен для бетонных и цементационных работ. Над блоками вынуждены были сооружать тепляки. Еще более усложняло работы поступление воды через скальное основание под напором нижнего бьефа.

Основные технические решения, которые легли в основу ремонтных работ водобойного колодца, сводились к следующему: размер плит (столбов) крепления дна в плане был сокращен вдвое; в межблочные швы закладывалась цементационная арматура для улучшения качества инъецирования раствора в швы, а также использовалось трубное охлаждение блоков для большего раскрытия швов и улучшения условий их омоноличивания; был учащен шаг анкеров, а в двух рядах были установлены предварительно-напряженные анкера на глубину до 20 м; для обеспечения совместной работы блоков в швах были установлены опорные бетонные шпонки, а в швах свежеукладываемых блоков - еще и металлические шпонки.

Несмотря на принятые исчерпывающие меры по улучшению технологии работ, обеспечить герметизацию, исключающую проникновение гидродинамического давления в швы между блоками, не удалось, что было выявлено натурными исследованиями, поэтому водобойный колодец разрешено использовать лишь в щадящем режиме. Для обеспечения пропуска высоких половодий будет сооружаться резервный водосброс.

По тем же причинам недостатков проектирования из-за отставания расчетных моделей от опережающей инженерной строительной практики растянутая зона напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС оказалась значительно больше и напряженно-деформированное состояние её хуже, чем предполагалось проектом. При этом необходимо отметить, что на данном высоконапорном гидроузле, как и на всех подобных ему с высокими плотинами в России, не предусматриваются водосбросы по опорожнению водохранилищ из-за очень сложных и тяжелых гидравлических, а также прочностных условий, в которых должны содержаться и крайне редко работать водосбросные устройства и их затворы. Таким образом, ремонт необходимо было вести в условиях напорной и высокоскоростной фильтрации. Промедление с работами по прекращению фильтрации было недопустимо из-за неизбежной деградации бетона в зоне тела плотины с нарушенной сплошностью (монолитностью), где возникла сеть трещин.

Во избежание суффозии бетона растянутой зоны в ней была проведена инъекция цементным раствором по традиционной технологии с использованием цемента, а также с применением полиуретана. Ни тот, ни другой способ не привел к положительному результату из-за очень высокой скорости воды в трещинах. Для решения проблемы была разработана нетрадиционная в отечественной практике технология инъецирования оетона с применением нетрадиционных полимерных материалов типа «Родур». Использование новой бурильной и нагнетательной техники с применением «Родура» и инъецирование по специально разработанной схеме позволили надежно заполнить трещиноватую зону бетона с хорошей адгезией материала с бетоном. Раствор, обладая высокой вязкостью, имеет хорошую проницаемость, низкое поверхностное натяжение, инертность к воде и способность быстро отвердевать при низких температурах, при этом по сравнению с бетоном достаточно эластичен (модуль упругости 3500-5000 МПа).

Сложность инъецирования напорной грани, проводившейся в пределах первого столба, заключалась в том, что необходимо было варьировать между тем, чтобы иметь как можно большее раскрытие трещин и благодаря этому обеспечить максимальную полноту их заполнения, с другой стороны не превысить давление инъецирования, что могло ухудшить напряженно-деформированное состояние плотины. Необходимо было обеспечить почасовой контроль за перемещениями инъецируемого массива и соседних секций на разных отметках. Контроль состояния плотины в момент инъецирования и координация технологических приемов ремонтников лег полностью на службу эксплуатации, которая разрабатывала и технические условия совместно с проектной организацией на проведение ремонтных работ, и схему установки дополнительных щелемеров.

Кроме указанных особенностей, связанных с ремонтом зон бетона с нарушенной монолитностью, необходимо было в проекте производства работ тщательно прорабатывать вопросы по приготовлению материалов для инъецирования, отвечающих необходимым физико-химическим и экологическим свойствам, по подбору буровой, смесительной и нагнетательной техники, соответствующей технологическому процессу (скорость и качество бурения; давление и производительность нагнетания раствора; вязкость, адгезия и скорость твердения материала, технологичность его при транспортировке и хранении, опорожнении из нагнетательных систем; безопасность технологии инъецирования для персонала и окружающей среды и т.п.

На этом же гидроузле была выполнена уникальная (впервые в мире) работа по ремонту разуплотненного скального основания под напорной гранью плотины. До этого нигде в мире по технологии подобной той, что была разработана для инъецирования бетона, работы по подавлению фильтрации через основание не проводились.

Проект производства работ предусматривал два этапа. На первом этапе при УМО по определенной схеме расположения скважин заполнялись путём инъецирования промытые трещины и пустоты в скальном основании и цементационной завесе. На втором этапе при УВБ, близком к НПУ, инъекция проводилась, когда трещины максимально раскрыты.

Влияние инъецирования на напряженно-деформированное состояние системы «плотина - основание» также тщательно контролировалось по контрольно-измерительной аппаратуре.

После окончания работ были пробурены контрольные скважины, а также извлечены керны из массива отремонтированных зон бетона и основания. Исследование кернов показало хорошую заполняемость трещин и хорошую адгезию материала инъекции со скалой.

Эффективность работ по ремонту бетона плотины, цементационной завесы и скального основания была доказана тем, что фильтрация через тело плотины в ремонтируемой зоне сократилась в 100 раз, а в основании - в 2 раза.

Этот пример показывает, насколько ответственным и сложным является проектирование и строительство гидротехнических сооружений и насколько от изученности проблемы и качества проекта зависят надежность дальнейшей эксплуатации сооружений и затраты на их ремонт (затраты на ремонт колодца составили около 63% от годовой выручки ГЭС за отпущенную электроэнергию).

На тех гидроузлах, где возможно полное опорожнение водохранилищ, доступными для ремонта являются понурная часть, напорная грань со стороны водохранилища и другие элементы ГТС, что позволяет выполнять крупные ремонтные работы, вплоть до пристройки дополнительных массивов и т.п.

На грунтовых сооружениях при усилении водопроницаемости экрана, диафрагмы или ядра применяют для ремонта также инъецирование цементными, глинистыми или синтетическими растворами.

Для устранения местной суффозии на низовых гранях грунтовых плотин обычно отсыпают два - три слоя обратного фильтра, если нет других причин для явления выноса частиц грунта. Явление суффозии всегда требует тщательного исследования, поиска первопричины и её быстрого устранения, поскольку этот процесс может носить лавиноопасный характер, что за короткий период приведет к разрушению грунтовой плотины.

Любому ремонту, прежде чем его начинать, должно предшествовать тщательное изучение причин повреждения, а при разработке технологии ремонта необходимо руководствоваться принципом «не навреди», особенно это касается конструкций, ремонт которых приходится весь и при напряженном их состоянии.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.