Технология возведения гидротехнических сооружений

Подготовка основания для возведения гидротехнических сооружений является очень важным этапом в технологии строительного производства. Приемлемыми естественными основаниями для ГТС считаются такие, которые обеспечивают допустимые для принятых конструкций сооружений неравномерности осадок и горизонтальных смещений, а также их прочность и устойчивость. Если неоднородность основания не обеспечивает этих условий, ю его укрепляют путем ряда инженерных мероприятий (инъекции цементных и других растворов, дренирование грунтовых вод. укрепление склонов, заделка крупных трещин, полостей и тектонических зон бетоном и т.п.

По виду слагающих пород (грунтов) различают скальные, полускальные и нескальные основания. Скальные это прочные горные породы с объемным весом в пределах 2.5-3.1 т. Полускальные - осадочные породы, известняки, раздробленные скальные породы с объемным весом 2.2-2.6 т, пористостью до 20% и временным сопротивлением в водонаеыщенном состоянии при одноосных сжатии и растяжении соответственно менее 5 и 1 МПа. Нескальные - это породы, обладающие силами внутреннего трения и сцепления (связные) и обладающие только силами внутреннего трения (несвязные), несущая способность которых в подавляющем большинстве случаев предопределяется степенью их водонасыщения и плотностью. Связные грунты - глины, суглинки, супеси, лессы. Несвязные - пески, гравий, галечник, их смеси, щебень. Сложное основание представляет собой чередование пород различных по своему происхождению, строению, залеганию и гидрогеологическим условиям.

Характер и физические свойства грунтов определяют наиболее целесообразный способ их выемки из котлованов под строительство ГТС (экскаваторами, земснарядами, с предварительным рыхлением скальных грунтов путем буровзрывных работ и т.п.).

Под земельно-скальными работами понимают всю совокупность рабочих процессов по разработке, транспортировке и укладке грунтов в качественные насыпи (тело плотин и перемычек, обратные засыпки подпорных стенок и т.п.) или в отвал, выполняемые с помощью землеройных, транспортных и вспомогательных машин и механизмов.

При залегании в основании иловатых и переувлажненных глинистых грунтов, в которых возможно появление порового давления, устраивается их дренирование. Если слой таких грунтов невелик, их удаляют до коренных прочных грунтов. Грунты с неразложившейся корневой системой, а также имеющие ходы землеройных животных, необходимо удалять. Перед непосредственной укладкой бетона или земляного тела плотины готовность грунтового основания освидетельствуется комиссией с обязательным участием геологов с целью подтверждения, что грунт основания соответствует проектным требованиям плотности и влажности (нескальные), а выветренные участки породы (скальные) удалены. На нескальных грунтах часто укладывают после приемки основания не основные массивы бетона, а бетонную подготовку (тонкий 20-25 см слой) во избежание разрушения поверхностного слоя основания от атмосферных воздействий за период подготовки к бетонированию основных массивов ГТС. Затем на бетонную подготовку укладывается основной бетон массивов.

Возведение грунтовых сооружений. В состав грунтовых сооружений гидроузла входят не только такие сооружения как плотины, туннели, дамбы, перемычки, но и насыпи дорог, котлованы под бетонные сооружения, каналы, карьеры.

Существует два принципиально различных способа технологии земельно-скальных работ: сухопутная технология и технология, использующая гидротранспорт.

Упрощенная схема сухопутной технологии возведения грунтовых сооружений включает:

- выем грунта из природного массива в карьерах (или использование грунта из полезных выемок - котлованов) с помощью мощных землеройных машин - экскаваторов;
- транспортировку грунта автосамосвалами из карьера (котлована) к месту укладки;
- разравнивание грунта бульдозерами горизонтальными слоями определенной толщины и уплотнение их с помощью грунтоуплотняющих машин - катков.

Принципиальная схема работ с применением гидротранспорта включает:

- добычу грунтовых строительных материалов из-под воды одним из двух способов: с помощью землечерпальных снарядов и с помощью фунтовых насосов - земляных снарядов (земснарядов);
- транспортировку грунта с помощью автосамосвалов и барж при использовании землечерпалок и по трубам (пульпопроводам) в виде гидросмеси (пульпы) при использовании земснарядов;
- укладку грунта с механическим уплотнением (или в прудки) при использовании для добычи землечерпалок или намыв - распределение пульны по фубам на месте укладки при использовании земснарядов.

Гидромеханизацию можно применить и вне воды. Для этой цели используются гидромониторы (водометы) - аппараты, создающие мощную водяную струю, разрушающую и перемещающую горную породу. Они напоминают поворотный мощный пожарный ствол (брандспойт), установленный на специальной опоре. Гидромониторы применяются не только для разрыхления и добычи фунтов, но и для уплотнения каменной наброски.

В горных условиях для возведения плотин, перемычек и особенно тоннелей применяется взрывной метод возведения; в последние годы разработаны машины, режущие скалу достаточно точно по диаметру тоннеля без применения взрывов.

Способы возведения грунтовых сооружений выбираются, исходя из свойств грунтов и природных условий строительства.

Из всех грунтовых сооружений главными являются плотины, приблизительно 80% всех плотин в мире составляют грунтовые. При возведении грунтовых плотин используются только местные материалы с минимальным расстоянием от места выемки до места укладки. Грунтовые плотины могут быть построены и в сложных геологических условиях, и в условиях вечной мерзлоты как на скальных, так и не на скальных основаниях. Одно из достоинств этих плотин - их высокая сейсмостойкость.

Одними из сложных и ответственных элементов грунтовых плотин являются противофильтрационные устройства, отказ которых приводит к катастрофическому по последствиям очень быстрому размыву тела плотины. поэтому тщательность строительства противофильтрационных устройств - это обеспечение надежности грунтовой плотины и безопасности района её местонахождения.

Возведение бетонных сооружений.

Сооружения из бетона в гидротехническом строительстве занимают одно из ведущих мест, совершенствование бетонных работ имеет большое значение для удешевления и ускорения возведения гидроузлов. Технология производства бетонных работ на гидротехнических сооружениях более сложна, чем на иных промышленных и гражданских объектах. Это объясняется тем, что:

- к гидротехническому бетону предъявляются особые требования - водонепроницаемость, морозостойкость, кавитационная стойкость наряду с остальными требованиями, предъявляемыми к обычным бетонам промышленно-гражданских сооружений;

- бетонные гидротехнические сооружения бывают столь массивны, что требуют специальных мер по обеспечению их трещиностойкости в строительный период, когда бетонный массив разогревается вследствие гидратации цемента (присоединение воды к веществу); разогрев массива происходит неравномерно; температура внутри массива выше, а на наружных гранях существенно ниже за счет контакта с окружающим воздухом.

Бетон является композитным материалом и состоит из цемента и следующих основных составляющих (инертных материалов - заполнителей): мелкого заполнителя (песка), крупного заполнителя (гравия, щебня) и воды. Для повышения пластичности бетона и его удобоукладываемости в него добавляют различные пластифицирующие добавки. В зависимости от соотношения составляющих меняются свойства бетона как строительного материала. Цемент и пластифицирующие добавки - материалы заводского изготовления, остальные составляющие являются местными строительными материалами и заготовляются на близлежащих месторождениях - карьерах, разведанных в процессе инженерных изысканий. Состав гидротехнического бетона, соотношение между отдельными его составляющими подбирается на основе лабораторных исследований свойств бетона.

Для обеспечения должного качества бетона — его плотности, однородности, прочности заполнители сортируются по их крупности на фракции и промываются на гравийно-сортировочных или дробильно-сортировочных заводах.

Приготовление бетонной смеси производится в бетоносмесителях (бетономешалках) на бетонных заводах, куда поступают и перемешиваются строго дозируемые фракции заполнителя, цемент и вода. Бетономешалка представляет собой, обычно, вращающийся барабан с неподвижными лопастями на стенках или неподвижную емкость с вращающимися внутри лопастями.

Приготовленную бетонную смесь от бетонного завода транспортируют на строительную площадку специальным транспортом (автосамосвалы, транспортеры, железнодорожные бадьи и т.п.), соответственно оборудованным устройствами, защищающими смесь бетона от замерзания зимой и от солнечной радиации летом. Непосредственно к месту укладки бетон подается, как правило, разного рода кранами и в специальных бадьях разных конструкций.

При небольших объемах бетона и производительности бетонных работ и достаточно больших расстояниях от бетонного завода до места укладки применяются специальные автомобили-миксеры, у которых емкость для перевозки бетона выполнена в виде бетономешалки; она от момента приема бетона и до выгрузки его на месте работ, постоянно вращаясь, перемешивает бетонную смесь, предотвращая ее расслоение и преждевременное схватывание.

После доставки бетонной смеси к месту укладки ее разравнивают и уплотняют с помощью вибраторов. Вибрирование удаляет из бетонной смеси пузырьки воздуха и повышает её плотность. Укладка бетона в сооружение производится в специальные формы-ограждения - опалубку.

После укладки бетонной смеси происходит переход её из жидкого состояния в твердое и в течение нескольких месяцев идет набор прочности бетона по оси абсцисс отложено время в логарифмической шкале), а также увеличивается его водонепроницаемость (уменьшается водопроницаемость), поэтому учет водонепроницаемости во времени может позволить существенно снизить стоимость бетона без снижения предъявляемых к нему других технических требований.

Мероприятиям по вызреванию бетона с целью предотвращения трещинообразования придается особое значение. Главными из них являются: применение низкотермичных гидротехнических цементов, приготовленных по специальным техническим условиям; искусственное охлаждение заполнителей и воды на бетонном заводе; охлаждение бетонной кладки с первого момента поступления бетонной смеси в блок, а также выдерживание блоков с утепленными гранями (состояние термоса) в течение длительного времени. Иногда охлаждение с момента укладки бетона не прекращают и ведут его непрерывно, в течение определённого времени; массив тела плотины в результате одновременного охлаждения многих блоков может достигать значительного объёма. Так, на строительстве плотины Саяно-Шушенской ГЭС объём одновременно охлаждаемого бетона достигал 800 тыс. м3, что создавало благоприятные условия по снижению температуры, обеспечивающей раскрытие швов для их омоноличивания на широком фронте. При этих условиях опыт строительства последних крупных массивных плотин в суровых климатических условиях в нашей стране показал, что период с момента приготовления бетонной смеси на заводе и до вызревания бетона, когда угрозы трещиноооразования практически уже нет, составляет приблизительно один год.

Осадочными швами считаются обычно швы, которыми разрезаются железобетонные сооружения зданий ГЭС и другие на нескальных основаниях. например, здание ГЭС Волжской ГЭС (г. Жигулевск) разрезано осадочными швами на 10 секций длиной 60 м каждая. Назначение осадочных швов выполняют и усадочные швы в любых других бетонных и железобетонных конструкциях ГТС, располагающихся на сложных неоднородных основаниях.

Размеры блоков бетонирования обычно задаются в плане 10-20 м, по высоте 1-6 м. Разрезка на блоки служит не только целям разбивки технологии возведения на дискретные (прерывистые) этапы, но и позволяет более эффективно осуществлять меры по предотвращению температурного трещинообразования бетона. Для повышения трещиностойкости бетона вблизи граней блоков устанавливается нерабочая, распределительная арматура относительно малого диаметра и с относительно малым шагом.

Примечания. 1. Выше описана наиболее распространенная технология производства бетонных работ при строительстве гидротехнических сооружений. Наряду с ней известны и используются иные технологии. Так, в последние 20-30 лет широкое применение находит непрерывная «дорожная» технология строительства бетонных сооружений из малоцементных укатанных бетонов. В этом случае сооружение не разрезается на блоки и возводится непрерывно целиком «от берега до берега». По строящемуся сооружению непрерывно движется колонна механизмов по типу цепочки механизмов, строящих автостраду, которая укладывает, разравнивает и уплотняет (чаще всего виброкатками) бетонную смесь. Чтобы избежать температурного трещинообразования в не разрезанном на блоки бетонирования массиве, плотины из укатанного бетона возводятся из малоцементных смесей.

2. При возведении пространственно работающих плотин (арочных, многоарочных), для работы которых необходима монолитность сооружения, производится омоноличивание (цементация) межсекционных швов. Цементация обычно производится в холодное время года, когда имеет место максимальное раскрытие швов.

Буровзрывные работы. Разработка скальных пород в открытых выработках - карьерах и котлованах ведется, как правило, с применением взрывов.

При этом в карьерах для получения щебня, как заполнителя бетона, когда выбираются очень прочные породы, взрывы применяют всегда, а на вскрышных работах карьеров, где бывают сильно выветренные породы, иногда работы могут выполняться без взрывов с помощью мощной рыхлительной техники (бульдозеры типа «Катерпиллер», «Интер» и др.) и экскаваторов.

При вскрытии котлованов должно уделяться особое внимание сохранению нижележащей здоровой скалы, на которую будет опираться плотина. Поэтому буровзрывные работы (БВР) должны проводиться с определенными ограничениями, чтобы не допускать увеличения природных трещин и не образовать искусственных при БВР. Так, при вскрытии котлована на Красноярской ГЭС были приняты специальные технические условия на БВР, которыми устанавливалось, что при высоте съема скалы более 3-4 м, рыхление скалы необходимо было производить методом скважинных зарядов с оставлением защитного слоя 1.5 м до намеченного горизонта, на который должна ложиться подошва плотины. Затем защитный слой должен был разрыхляться маломощными мелкошпуровыми зарядами, отбойными молотками и ломами. Там же, где съем скалы был менее 3-4 м. взрывные работы должны были проводиться только мелкошпуровыми зарядами. Шпуры забуривались до проектного горизонта.

Там же, на строительстве Красноярской ГЭС, зачистка скального основания под укладку бетона выполнялась с минимумом ручного труда благодаря переоборудованию экскаватора ЭКГ-4.6 в обратную лопату, что превратило её в зачистную машину (пример творчества специалистов строителей-механиков, принесшего большой экономический эффект). В результате ручные работы сократились в 6 раз, что было равнозначно сокращению 500 рабочих.

Специальные работы. К специальным работам относится выполнение: противофильтрационных устройств (цементационные, шпунтовые и др. завесы), дренажа основания, цементации основания, понуров, гидроизоляции, уплотнений деформационных швов (осадочных), дренажа тела плотин, омоноличивания швов, проходок штолен, разного рода анкеров, крепления неустойчивых склонов и массивов, полимерных покрытий и т.п.

Одним из важнейших устройств - флютбетов (искусственное ложе потока, состоящее из понура, тела плотины, водобоя, рисбермы), являются противофильтрационные завесы, строительство которых занимает значительное время, а объёмы работ по созданию завес составляют основную долю в специальных работах. Например, цементационная завеса плотины Саяно-Шушенской ГЭС достигает глубины 100 м. Линия контакта флютбета с грунтом называется подземным контуром.

В скальных грунтах завесы, как правило, выполняются путем инъецирования цементных или иных растворов на основе цемента -цементационные завесы, в мягких грунтах часто применяются шпунтовые завесы - металлические, деревянные или железобетонные. В случае невозможности устройства шпунтовых завес противофильтрационные завесы выполняют в виде бетонных зубьев, бетонных стенок и диафрагм. В этом случае бетонные стенки выполняются либо путем предварительного устройства глубоких траншей либо путем буронабивных свай (скважины большого диаметра с частым шагом заполняются бетоном, т.е. образуются сваи, после чего промежутки между сваями, которые размером меньше диаметра свай также разбуриваются и заполняются бетоном, в результате получается сплошная стена).

Другим важным элементом подземного контура является дренаж основания, который выполняется путем проходки скважин в скальных грунтах или горизонтальных дренажных слоев в нескальных грунтах с устройством обратных фильтров во избежание выноса мелких частиц из тела плотины и предотвращения ее разрушения, а также закупорки дренажа. Обратный фильтр представляет собой несколько слоев несвязных грунтов (песок, гравий, щебень), уложенных в порядке возрастания крупности частиц по направлению фильтрации воды. Слой мелкой фракции должен примыкать к телу плотины, а конечный слой крупной фракции должен примыкать к дренажу. Обратные фильтры в грунтовых плотинах устраиваются и вокруг устья пьезометров. Выполнение работы в больших масштабах по устройству обратных фильтров очень трудоемко из-за требования особой тщательности послойной укладки, когда строго регламентируются размеры и границы слоев, а также фракции материала.

К специальным работам относится и устройство уплотнений шпонок деформационных швов. На скальных основаниях, как правило, шпонки деформационных швов выполняются из пластинчатых материалов, на нескальных основаниях применяются объемные шпонки-колодцы, заливаемые битумным материалом. Шпонки - одни из самых ответственных элементов конструкции напорных сооружений. Особая ответственность заключается в том. что достаточно сложные работы (по установке и стыковке шпонок) должны выполняться непосредственно в блоках бетонирования по мере возведения сооружения, когда необходимо обеспечить герметичность уплотняющего материала и сохранить ее в период бетонной кладки. Объемные шпонки-колодцы достаточно глубокие, они требуют тщательной сохранности от засорения строительным мусором до момента их заливки. В качестве материала шпонок используются стальные, латунные, пластмассовые или резиновые листовые материалы (пластины). Стальным и латунным шпонкам придают специальную форму, обеспечивающую их свободную деформацию в шве без потери герметичности при перемещении массивов смежных секций.

Омоноличивание бетонных плотин - это венчающая технологическая операция, позволяющая поставить гидротехнические сооружения под напор, поэтому является исключительно ответственной, а зачастую и очень сложной. Сложность в том, что швы могут оказаться заполненными льдом, слабым цементным камнем от протечек цементного молока при уплотнении бетонной смеси в блоках при её укладке, из-за выхода из строя цементационной арматуры, закладываемой по мере бетонирования, через которую в последующем цементируются (омоноличиваются) швы и т.п.

Проходка подземных выработок, тоннелей и устройство обделок на гидротехнических сооружениях производится либо так называемым горным способом, когда работы выполняются без крепи, либо щитовым способом с помощью передвижной механизированной крепи (щита), обеспечивающей защиту от горного давления и вывалов породы. Особенно большие объемы подземных работ выполняются на горных деривационных подземных гидроэлектростанциях. Так, на строительстве деривационной подземной Ингури ГЭС объем скальной выработки составил более 3 млн, а объем подземного бетона 1 млн. Буровзрывные, специальные и подземные работы на строительстве ГЭС производятся в нашей стране, как правило, Гидроспецстроем.

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