КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИН И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Современные гравитационные плотины строят обычно водосбросными, т.е. с водосливными или глубинными отверстиями; глухими выполняют лишь участки, сопрягающие водосбросную плотину с берегами или со станционной частью плотины, в которой располагаются водоводы для ГЭС. Полностью глухие бетонные плотины строят редко, так как они менее экономичны, чем плотины из грунтовых материалов. Хотя один из вариантов Эвенкийской ГЭС (Турухан ской предусматривает строительство бетонной плотины длиной по створу 2400 м из них водосливы расположены только в русловой части (450 м).
Расположение плотины в плане. Обычно ось плотины прямолинейна (см. рис. 8.2, а и 8.3, а), хотя бывает и криволинейной (или ломаной). Прямолинейная плотина требует обычно минимальной затраты материала и поэтому предпочтительнее.
Криволинейная форма плотины в плане применяется в случаях неоднородности геологических условий в основании и необходимости размещения пло тины в плане на выходах более надежных пачек пород, а также когда в соответствии с топографическими условиями створа на разных участках по высоте для достижения минимума объема сооружения необходимо искривлять плотину в плане. Раньше, когда принимались меньшие удельные расходы, криволинейные в плане плотины применялись для получения заданной длины водослива при недостаточной ширине створа (например, Днепровская плотина); в современных условиях это не явилось бы удачным решением. Кроме того, на очертание оси плотины может влиять общая компоновка сооружений в гидроузле (см. гл. 24).
Профили плотины. Конструкция глухих плотин наиболее проста: профиль их представляет собой треугольник, откорректированный в соответствии с условиями работы сооружения (см. п. 6.2). Даже для самых высоких напоров этот профиль остается наилучшим. Так, профиль наиболее высокой гравитационной плотины ГрандДиксанс (см. рис. 8.11, б) имеет вертикальную напорную грань и в нижней части на высоте 120 м некоторое отклонение от вертикали с наклоном т = 0,03 (с заложением 3,2 м); низовая грань плотины имеет переменный наклон: вверху 0,68, в средней и нижней частях 0,81. Некоторое нависание напорной грани плотины в сторону верхнего бьефа обеспечивает сжимающие напряжения на напорной грани, при этом максимальные сжимающие напряжения на низовой грани составляют 13 МПа.
Профиль станционных частей плотины, которые строятся в комплексе со зданием гидроэлектростанции, располагаемом непосредственно за плотиной в нижнем бьефе (см. рис. 8.3, г) или с машинным залом гидроэлектростанции внутри плотины, аналогичен профилю глухой части плотины.
Профиль водосливных плотин также вписывается в исходный треугольник (см. п. 6.2) с некоторыми отклонениями на гребне водослива и возможным устройством носка для сопряжения сбрасываемого потока с нижним бьефом (см. рис. 8.2, в).
Зонирование бетона в теле плотины производят исходя из тех требований, которые предъявляются к бетону в отдельных зонах плотины.
Подробно этот вопрос см. в п. 6.7. Границы зон на профиле плотины увязывают со схемой разрезки тела плотины на блоки бетонирования.
Разрезка плоты на блоки бетонирования. Исходя из производственных условий, плотину возводят обычно путем укладки бетона в отдельные блоки. Схема разрезки сооружения на блоки и их размеры существенно влияют на характер развития их термонапряженного состояния. Различают следующие схемы разрезки (рис. 8.10): секционная, т.е. длинными блоками, когда вся секция плотины между конструктивными (температурными) поперечными швами бетонируется одним блоком; вперевязку, т.е. перекрытием вертикальных швов между блоками данного ряда блоками следующего лежащего выше ряда на V2 высоты блока; столбчатая, когда блоки укладывают в «столбы» с образованием непрерывных продольных вертикальных швов, впоследствии цементируемых или бетонируемых; смешанная.
При применении способа длинных блоков (секционного) при малой их высоте (0,7+1,5 м) необходимо соблюдать благоприятный температурный режим блоков, ограничивая перепад температур не более 17+20°С. При несоблюдении этого требования в блоках могут появиться трещины. Способ длинных блоков с успехом применялся на строительстве Токтогульской плотины.
Способ в перевязку (днепровский) применяется в плотинах высотой ло 50 м: длина блоков в плане 9+12 м, высота блоков от 2 до 3+4 м, вблизи основаниядо 1+2 м.
Разрезка столбчатыми блоками (длина их обычно не более 15 м и высота Зм) позволяет достичь большей скорости возведения плотины по высоте (8ь 10 м и более в месяц). Помимо более высоких темпов кладки, при этом способе разрезки получается большая площадь поверхности охлаждения блоков V, отмечается более интенсивное удаление теплоты экзотермии, чем при разрезке в перевязку, а также меньшее взаимное влияние смежных блоков. Кроме того, разрезка столбчатыми блоками позволяет принимать частичный напор водохранилища на незаконченную строительством плотину, придавая ее низовой грани форму уступов (например, на плотине Братской ГЭС и на плотине Гранд Диксанс,рис. 8.11).
При данном способе разрезки необходима последующая цементация продольных швов; для этого их делают по форме в виде пгтраб и снабжают трубами с клапанами выпусками (рис. 8.12).
В условиях Сибири швы целесообразно делать широкими (1,3-1,5 м) с тем, чтобы их можно было бетонировать при низкой температуре до 10-15°С.
Способ высоких блоков отличается малым числом горизонтальных швов (через 12-20 м по высоте), что делает плотину более монолитной, чем при других способах бетонирования. Однако при этом внутри блоков отмечается высокая температура от экзотермии, вследствие чего могут возникать трещины у поверхности блоков. Кроме того, при этом способе необходима более жесткая опалубка.
Температурные и конструктивные швы и их уплотнения. Как указано в п. 6.6, плотина разрезается по длине постоянными швами на отдельные секции. В плагинах на жестких скальных основаниях устройство этих швов обеспечивает свободное развитие температурных и усадочных деформаций и поэтому они называются температурноусадочными (в отличие от температурно осадочных на нескальных основаниях). Эти швы, как правило, располагают на равных расстояниях по длине плотины, зависящих от климатических условий и температурного режима плотины в период эксплуатации, обычно от 718 до 15+20 м. Расположение швов увязывается со строительными условиями и расположением отверстий в плотине (чтобы не перерезать отверстий), а также с разрезкой на блоки бетонирования.
Ширина раскрытия температурных швов, образуемых путем покраски поверхности блока битумом или установки битумных матов, назначается от I до 10 мм. При этом учитывают, что при самой высокой температуре среды шов замкнется, (просвет шва исчезнет), а при самой низкой максимально раскроется. Помимо указанных межсекционных швов в пределах секции (при большой их длине) дополнительно устраивают наружные температурные швынадрезы. Глубина этих надрезов определяется глубиной проникновения годовых температурных колебаний наружной среды, которая для бетона составляет величину 5+10 м (см. п. 16.6).
Наиболее часто применяют плоские по форме швы (рис. 8.13, а), при которых секции плотины работают и деформируются независимо одна от другой. Это создает статическую определенность работы плотины и облегчает беспрепятственный отвод воды, которая, несмотря на специальные меры, могла бы просочиться в шов.
Реже применяют швы штрабные (рис. 8.13, б), которые позволяют передавать касательные усилия от одной секции к другой, что несколько разгружает более нагруженные секции. Эти швы, однако, ухудшают отвод воды, просочившейся из верхнего бьефа через уплотнения швов, а кроме того, в местах их изломов иногда появляются трещины в бетоне.
Конструктивно шов должен быть водонепроницаемым при всех возможных деформациях секций сооружений, в том числе усадочных. Это достигается устройством уплотнений, которые должны защищать шов также от воз а плоский; б штрабленый; 1, 2 и 3 уплот действий волн и льда и от всякого роданення, соответственно контурное, основное и засорений.
Общая схема расположения уплотнений состоит из контурных уплотнений, располагаемых у наружных поверхностей плотины или у поверхностей полостей внутри плотины, и внутренних основных уплотнений. Контурные уплотнения имеют основную цель защищать швы от воздействий льда, волн и различных засорений, обеспечивая некоторую водонепроницаемость; полную же непроницаемость его должны обеспечить основные уплотнения.
Контурные наружные уплотнения (рис. 8.14) представляют собой шпонки в виде железобетонных, бетонных или деревянных брусьев, резиновых лент и стальных полос (из нержавеющей стали), укладываемых в пазы на подготовку из асфальтовых мастик или битумных матов.
Деревянные шпонки можно применять лишь в частях плотины, находящихся ниже уровня сработки верхнего бьефа. Бетонные пробки применяют на фанях сооружения с земляной засыпкой (например, в устоях).
В условиях умеренного и теплого климата иногда ограничиваются обмазкой мастикой поверхности шва и скашиванием его кромок, но в этом случае основное внутреннее уплотнение шва должно начинаться с металлического листа или резиновой полосы (рис. 8.14, г, Э).
Контурные внутренние уплотнения применяют в швах смотровых галерей и других полостей внутри плотины. Эти уплотнения делают в виде металлических или резиновых диафрагм, аналогичных показанным на рис. 8.14, г, д.
Основные внутренние уплотнения располагаются на расстоянии 1,5ь2 м от напорной грани плотины. Их выполняют в виде металлических, резиновых или пластмассовых диафрагм, а также в виде асфальтовых шпонок (рис. 8.15).
Металлические (медные или из нержавеющей стали) диафрагмы обязательно делают с компенсаторами, допускающими деформации листов уплотнения без разрыва их. Кроме описанных выше металлических диафрагм (см. рис. 8.14, г), можно применять диафрагмы, располагаемые в смотровых шахтах (рис. 8.15, а). Для этих диафрагм используют низколегированные стали и сплавы, обладающие высокой стойкостью против коррозии, или медные и латунные листы.
Резиновые профилированные ленты (рис. 8.15, 6) применяют в сравнительно узких швах, располагая их так, чтобы резина под действием гидростатического давления работала главных образом на сжатие и в меньшей мере на растяжение.
Пластмассовые (из полимерных материалов) диафрагмы располагают аналогично резиновым. Они представляют собой поливинилхлоридные ленты, ленты из стеклопластика, винипласта и т.д. Эти уплотнения начинают все шире внедрять в практику по мере накопления опыта и улучшения качества материала.
Асфальтовые шпонки делают в виде вертикальных колодцев в массиве бетона, заполняемых асфальтом или битумной смесью (рис. 8.15, в). Их снабжают приспособлением для разогрева асфальта (электрическим током, горячим воздухом, паром) на случай пополнения его при утечке (со временем).
Из всех видов основных уплотнений наиболее надежны металлические диафрагмы. Резиновые и пластмассовые уплотнения также водонепроницаемы, но долговечность их пока точно не установлена. Асфальтовые шпонки без применения металлических листов иногда дают утечки битумного заполнителя.
В состав конструкций постоянных швов обычно входит смотровая шахта (или колодец), располагаемая на небольшом расстоянии от уплотнений и служащая для контроля за работой уплотнения, для дренажа сбора и отвода воды, просачивающейся через уплотнения, и в случае необходимости для ремонта или их замены (см. рис. 8.15, а). В шахте расположена стремянка для спуска в нее наблюдателей.
Стенки полости шва от напорной грани сооружения до смотровой шахты в тонких швах (до 5 мм) обрабатывают битумом (горячим или разжиженным), в более широких швах холодной асфальтовой штукатуркой или рулонными гидроизоляционными материалами, асфальтовыми матами и т. п. Полость шва от смотрового колодца до низовой грани может ничем не заполняться.
Дреяопые устройства. Дня снижения фильтрационного противодавления и избежания вредного физикохимического и механического воздействш фильтрации воды в теле устраивают дренаж. Он представляет собой свету вертикальных (реже горизонтальных) дрен круглого сечения, расооложенвш вблизи напорной грани сооружения, непосредственно за слоем водонепроницаемого бетона, если он укладывается. Расстояние от напорной грани плотны до оси дренажа а, принимается не менее 2 м при соблюдении условия (аналогично формуле (8.1)].
Вертикальные дрены имеют диаметр около 20+30 см и располагаются с шагом 2+4 м. Вода, проникшая в дрены, собирается далее продольными галереями, которые устраиваются через 20+30 м по высоте и служат также для инспекционных целей; по кюветам галерей вода направляется в поперечные галереи или штольни, выводящие ее в нижний бьеф. В галерею у подошвы сооружения отводится также вода, поступающая из дрен основания.
Современные способы устройства вертикальных дрен заключаются в установке при бетонировании тела плотны труб из пористого бетона или стальных труб, наружная поверхность которых смазывается отработанным маслом ила солидолом для облегчения подъема их вверх по мере роста бетонной клад» а извлечения после завершения бетонирования.
Горизонтальные дрены круглого или трапецеидального сечений высотой 15+20 см шириной понизу 15 см устраивают в межблочных швах через 11,5 ч по высоте. Вода собирается дренажными вертикальными шахтами диаметром 70+80 см, которые располагаются в межсекционкых швах.
Смотровые устройства и полости. Для осмотра состояния внутренних частей бетонной плотны, для наблюдения за ходом фильтрации и появлением трещин, для расположения различной измерительной аппаратуры, а иногда дм служебного сообщения между берегами устраивают специальные горяэоять ные или наклонные галереи (см. рис. 8.2 н 8J) и вертикальные шахты. Минимальную ширину смотровой галереи для прохода по ней принимают равной 1,2 м, высоту 2 м; при необходимости проезда ширину принимают равной 2,5+3 м и более, высоту от 3 м и более. При наличии нескольких галерей в плотине нижняя, устраиваемая возможно ближе к основанию, может быть использована для цементации под зубом плотины; в этом случае высота галерея должна быть не менее 3,54 м при ширине не менее 2,5 м. Выходы из горизонтальных галерей делают или непосредственно на береговые склоны, или по ив клонным и вертикальным шахтам на гребень плотины. Иногда в плотине устраивают полости для размещения, например, машинного зала гидроэлектростанции (см. рис. 6.29). Сплошность тела плотны при устройстве галерей и полостей нарушается, что ведет к перераспределению напряжений, свойственных сплошному телу плотины (см. 6.6).
Защитные покрытия граней плотины. Если у граней плотины укладывают «зональный» бетон (водонепроницаемый с напорной стороны, морозостойкий у открытых поверхностей, стойкий против истирания по водосливной грани, см. п. 6.7), то обычно никаких дополнительных защитных мероприятий ее требуется. Однако для повышения долговечности сооружения поверхности плотны могут усиливаться опалубкой из бетонных блоков толщиной 0,3-0,6 м. изготовленных заранее из особо плотного бетона; в суровых климатических условиях (если среднемесячная температура наиболее холодного месяца шоке 20° С) верховая грань плотины в зоне переменного уровня армируется поверхностной сеткой из стержней диаметром 2СК25 мм с шагом 0,25 м.
При наличии значительной агрессивности речной воды по отношению к бетону плотины, помимо подбора соответствующего состава бетона применяют гидроизоляцию напорной грани плотины. Последняя может быть выполнена в виде горячей или холодной асфальтовой штукатурки или же из рулонного гидроизоляционного материала.
Асфальтовые штукатурки, особенно горячие, нуждаются в защитном экране, в частности в зоне переменного уровня воды, от действия льда, плавающих тел н др. Экраны устраивают, например, в виде слоя цементного торкрета по заанкерснной в бетон арматурной сетке 5x4 см из проволоки диаметром 1 мм или в виде железобетонных плит толщиной 68 см, закрепляемых в бетоне анкерными болтами. В последнее время для гидроизоляции стали применять каменноугольноэпоксидное покрытие, армированную стеклоткань и др.
Водосливная грань плотины может дополнительно упрочняться путем ва кууммирования бетона, как это сделано, например, на Цимлянской плотине.
Гребень плотины используют для служебного прохода, проезда или других целей. Ширина гребня выбирается с учетом условий производства работ и его назначения, но должна быть не менее 2 м. В случае устройства проезда гребень плотны должен иметь достаточную ширину дорожного полотна с одним или двумя тротуарами и ограждение с обеих сторон. В целях снижения массы надстройки полотно дороги иногда поддерживается бетонной сводчатой или железобетонной конструкцией (см. рис. 8.2).
Возвышение гребня плотины над НПУ определяют по формуле
Водопропускные отверстия в теле плотины. В теле бетонной плотины могут устраиваться временные (строительные) и постоянные водопропускные сооружения: водосбросы, водоспуски и водо вы пуски, а также водоводы для подачи воды к турбинам ГЭС (см. рис. 8.28.4).
Водосбросы в теле бетонной плотины на скальных основаниях устраивают с поверхностными (водосливными) либо с глубинными отверстиями. При выборе типа водосбросных отверстий следует учитывать, что водосливные отверстия по сравнению с глубинными оборудуются более простыми затворами и механизмами для маневрирования ими, они Оолее доступны для осмотра и ремонта и поэтому более надежны в эксплуатации.
Однако глубинные водосбросы, особенно работающие под большим напором, обеспечивают пропуск заданного расхода при меньших сечениях водовода. Экономичность этого типа водосброса объясняется также возможностью использования отверстий, устраиваемых в теле плотины, для пропуска строительных расходов и выполнения функций водоспуска.
Удельные расходы потока, сбрасываемого через сооружение в нижний бьеф, при прочном скальном основании достигают 150 м3/с на 1 м и более; гашение энергии потока и сопряжение бьефов осуществляются по типу донного режима или путем отброса струи носкамитрамплинами. При сбросе свободно падающей струи необходимо обеспечить ее отброс на безопасное для устойчивости сооружения расстояние, соответствующее (0,4+0,6), где Н высота плотины.
Глубинные водопропускные отверстия ослабляют сечение плотины и их ширина не должна превышать (0,5+0,6). Водовод по контуру обычно армируют, а при высоких напорах (более 50 м) и скоростях 20 +25 м/с и более часто применяют стальную облицовку.
Особенности конструкции плотин из малоцементных укатанных бель нов. Плотины из малоцементного укатанного бетона возводят наиболее простым методом, аналогичным методу возведения грунтовых плотин; бетон укладывают послойным методом (слоями по 0,5+1,0 м), бетонную смесь уплотняют вибро и пневмокатками, тяжелыми автомашинами и т.п. (уплотнению глубинными вибраторами особо жесткие смеси не поддаются).
Строительство плотин из укатанных бетонов имеет большие преимущества [91, 197]. Бетоны, получаемые из малоцементных особо жестких бетонных смесей (с расходом вяжущего около 100 кг/м3 и с прочностью на сжатие 10+15 МПа), отличаются низким тепловыделением и малой усадкой. Это дает возможность бетонировать массивные сооружения блоками больших размеров без сложных и дорогих мер по регулированию температурного режима бетонной кладки (охлаждения бетонной смеси, трубного охлаждения и т.д., см. гл. 16). Высокая ранняя прочность такого бетона обеспечивает возможность перемещения по нему тяжелых машин и механизмов для укладки и уплотнения бетонной смеси. Все это позволяет вести бетонирование с очень высокой интенсивностью укладки бетона, резко уменьшить трудозатраты, снизить стоимость и сроки возведения сооружения.
К настоящему времени во всем мире построено, строится и проектируется около 100 плотин из укатанного бетона. Анализ общих конструктивных решений по плотинам из укатанного бетона показывает, что, как правило, их профиль не отличается от профиля обычных бетонных плотин. Некоторые их конструктивные особенности связаны со спецификой малоцементного материала, его укладкой и уплотнением. Общими недостатками укатанных бетонов в результате малого содержания вяжущего и сыпучей консистенции смеси являются: более высокая неоднородность этого материала, чем у обычного бетона, из за склонности к расслоению при перегрузках, подаче в блоки и распределении; отчетливо выраженная слоистость бетонной кладки с повышенной ее водопроницаемостью по горизонтальным швам; низкие показатели морозостойкости материала. Все это приводит к необходимости защиты укатанного бетона от внешних воздействий и фильтрации воды.
Конструктивно и технологически защита укатанного бетона осуществляется различными способами. Основной метод защиты создание наружной зоны из обычного вибрированного бетона с повышенным содержанием цемента. Ширина такой зоны определяется из условий достаточности противофильтра ционной защиты и ожидаемой глубины проникновения температурных колебаний, опасных с точки зрения трещиностойкости и долговечности бетона.
Кроме того, для лучшего сопряжения со скалой зоны, контактирующие с основанием и бортами каньона, как правило, также выполняются из вибрированного бетона; укладка обычного бетона в основание помимо прочего позволяет создать выровненную поверхность для последующей укладки бетона. В таких плотинах малоцементный бетон располагается во внутренней зоне и относительный его объем колеблется от 30 до 90%.
Имеются примеры плотин, которые полностью возведены из указанного бетона, например, плотина Уиллоу Крик (США) высотой 51,5 м. Однако после наполнения водохранилища в нижней части этой плотины была обнаружена усиленная фильтрация по горизонтальным строительным швам, что потребовало выполнения цементационных работ [197].
Различные варианты конструкций напорной грани плотины показаны на рис. 8.16. В Японии при строительстве плотин из укатанного бетона используется вариант устройства экрана из обычного вибрированного бетона (рис. 8.16, а). Он предусматривает такую последовательность операций: укладка у напорной грани полосы обычного бетона шириной 2+3 м и высотой 0,7+1 м, отсыпка и разравнивание малоцементной бетонной смеси тремя четырьмя слоями по 0,2+0,25 м, вибрирование бетона у напорной грани, уплотнение виброкатками укатываемой смеси с заездом катка на полосу обычного бетона и, наконец, дополнительное вибрирование глубинными вибраторами зоны сопряжения бетонов двух видов. Близкий к данному способ создания наружных зон из обычного бетона при одновременной укладке в блок бетона двух типов был применен при строительстве плотины Ташкумырской ГЭС (рис. 8.17).
С целью уменьшения фильтрации в верховой зоне сооружения в швах между слоями укатанного бетона часто укладывают подстилающий слой из обычного бетона полосой 1+2 м (рис. 8.16, б); имеются примеры защиты верховой грани плотины бетонными облицовочными бордюрами (рис. 8.16, в), устраиваемыми с помощью горизонтально скользящей опалубки и бетоноукладчиков.
Варианты выполнения конструкций низовой грани показаны на рис. 8.18. Наряду с устройством на низовой грани наружной зоны из обычного вибриро ванного бетона (рис. 8.18, а) применяют облицовку ее бетонными элементами, играющими роль только опалубки (рис. 8.18, б). Иногда на низовой грани создают буферную зону из укатанного бетона с повышенным содержанием цемента, которая, подвергаясь разрушительным воздействиям попеременных циклов замораживание оттаивание, обеспечивает защиту основного профиля из укатанного бетона от этих воздействий (рис. 8.18, а).
Защитный слой бетона на напорной грани плотины должен сочетаться с дренажной системой для перехвата профильтровавшей через этот слой воды, так как иначе она будет фильтровать в нижний бьеф по горизонтальным швам между слоями укладки. Конструкция дренажа в виде вертикальных дренажных скважин между галереями, которые могут быть дополнены продольными горизонтальными дренами, аналогична таковой в обычных плотинах.
