КАМЕННЫЕ ПЛОТИНЫ

В каменных плотинах противофильтрационные устройства выполняют из негрунтовых материалов, а упорные призмы тела плотины из щебенистых и гравийногалечниковых грунтов или горной массы. Противофильтрационные устройства бывают двух видов экраны и диафрагмы.

Упорная призма (призма) выполняется аналогично каменноземляным плотинам, однако требования к плотности укладки возрастают, так как часто про тивофильтрационные устройства чувствительны к осадкам и горизонтальным смещениям.

Для создания экранов могут использоваться сталь, дерево, синтетические пленки, асфальтобетон, бетон и т. д. Для создания диафрагм используются те же материалы, но дерево, бетон и пленки следует применять с большой осторожностью, хотя примеры использования этих материалов для диафрагмы имеются. Бетон и железобетон в диафрагмах практически не используют.

Экраны из негрунтовых материалов раньше укладывали на слое тщательно уложенной подэкранной, как правило, сухой кладки из крупных подобранных камней с перевязкой швов и расщебенкой крупных пустот. Со стороны экрана поверхность сухой кладки поливали цементным раствором или выравнивали слоем бетона (рис. 13.24). Все это требовало значительных затрат ручного труда В настоящее время экран часто укладывают на тщательно уплотненную подготовку из щебня или гравия с выравнивающим слоем из тощего бетона, хотя крутизна верхового откоса становится меньше по сравнению с его крутизной при сухой кладке. Вместо кладки насухо можно использовать грунтобетон.


Деревянные экраны (рис. 13.25) обычно применяют в благоприятных климатических условиях, способствующих сохранности древесины на плотинах низких и средней высоты при наличии на месте лесоматериалов соответствующего качества. Экраны этого типа могут также использоваться, когда ожидают большие неравномерные осадки тела плотины. Сохранность экрана достигает 50 лет. В период эксплуатации фильтрация через экран быстро падает.


Деревянные экраны обычно состоят из двухтрех (в зависимости от высоты плотины) горизонтальных рядов досок толщиной 57,5 см, уложенных с разбежкой швов на установленные вдоль откоса брусья. Пазы между досками тщательно проконопачивают смоляной паклей, а между слоями досок и брусьев для предотвращения коробления и растрескивания при высыхании укладывают гидроизоляцию из битумных матов. Брусья укладывают заподлицо с подэкрановой кладкой на расстоянии 1,21,8 м и скрепляют с ней анкерами. В некоторых случаях применяют брусья сплошного ряда. Толщину досок деревянного экрана увеличивают по мере заглубления от гребня (по мере повышения напора воды). Иногда приходится увеличивать и число рядов досок в экране. Для экранов рекомендуется применять пиленый лес из сосны или лиственницы, просушенный до влажности не более 18% и пропитанный антисептиками, не растворяющимися в воде.

Деревянный экран Широковской плотины, построенный в 1943 г. успешно эксплуатируется до сих пор.

Бетонные и железобетонные экраны бывают трех типов: жесткие монолитные, плохо воспринимающие осадочные деформации; полужесткие скользящие, способные воспринимать осадочные деформации; гибкие, или слоистые, приспособленные к работе в условиях существенных деформаций упорной призмы. Экраны двух последних типов в последнее время (1520 лет) не применяют из-за сложности и высокой стоимости (рис. 13.26).

В настоящее время строят плотины с заложением откосов, близким к углу естественного откоса (1:1,3+1:1,5) и применяют однослойные экраны (рис. 13.27), разделенные на секции температурнодеформационными вертикальными швами через 15 м. Процент армирования экрана колеблется в пределах от 0,35 до 0.5%. Сопряжение экрана плотин с зубом в основании (наиболее ответственное место в конструкции экрана) устраивается с обеспечением свободы поворота экрана лучше в виде шарнирного соединения (см. рис. 13.26).

Для большей водонепроницаемости бетонные экраны с поверхности иногда торкретируют, а для защиты от механических повреждений (например, льдом) защищают неразбираемой опалубкой, покрывают каменным мощением и т.п.


Толстый лед может разрушить экран, оторвав его от призмы. В этом случае экран может быть заанкерен в тело призмы. Плотины с железобетонными экранами строятся самой различной высоты. В настоящее время построены плотины высотой более 200 м. Эти плотины привлекают внимание проектировщиков, так как дают существенную экономию за счет уменьшения объема, а также имеют существенно более крутые откосы, чем другие типы грунтовых плотин. Верховой откос можно сделать круче угла естественного откоса (1:0,6 и даже 1:0,4), приняв меры по обеспечению устойчивости откоса при помощи устройства подэкрановой зоны из грунтобетона или укладкой бордюрных бетонных блоков, хотя их укладка не даст возможность создать откосы существенно круче естественного, но эти блоки хорошая подготовка под экран [103].

Кроме того, при строительстве плотин с железобетонными экранами обычно сокращается длина водоводов здания ГЭС и береговых водосбросов.

Несколько случаев образования трещин около периметрального шва привело к сокращению строительства этого типа плотин в Европе. В странах Латинской Америки их строили и строят достаточно много, но там чаще всего на маловодных реках и в случае необходимости можно спустить водохранилища для проведения ремонтных работ (именно так поступали и во Франции в конце 50х годов). В России реки, как правило, многоводные, и этот метод ремонтных работ (если он необходим) не приемлем.


Конструкция плотины должна быть ремонтопригодной. Для этого нужно разместить потерну в основании для сопряжения экрана с противо фильтрационным устройством в основании и по высоте через каждые 40н50 м в подэкрановой зоне, а чтобы в этой зоне можно было бурить, ее можно выполнить из грунтобетона. С учетом деформации экрана из-за сжатия призмы из крупнообломочного грунта, в экране нужно создать не только вертикаль ные, но и горизонтальные швы, конструкции которых приведены на рис. 13.28. В современных плотинах больше трех горизонтальных швов в нижней половине плотины обычно не делают, так как это дорогая и многодельная часто ручная работа. Армирование осуществляется обычно арматурой 020+30 мм в обоих направлениях с шагом 20 см, расположенной в середине сечения (иногда двойной сеткой). Защитный слой 100+150 мм. В зоне переменного уровня, где возможен припой льда, у поверхности кладут также арматурную сетку. Швы облегчают борьбу с изгибными деформациями и соответствующими им напряжениями.


Трение экрана (это особенно проявляется в случае высоких плотин) по подэкрановой зоне уменьшает сжимающие напряжения в экране, действующие вдоль напорной грани (главные напряжения на напорной грани). А часто не только уменьшает, но и вызывает растяжение. В связи с этим между экраном и подэкрановой зоной укладывают смазывающий слой (к примеру, пленка двухслойная, а между слоями смазка), что увеличивает сжимающие напряжения или существенно снижает растяжение в экране.

Решение задачи о напряженнодеформированном состоянии (НДС) плотины с железобетонным экраном осуществляется численными методами в плоской постановке, так как экран плотины через 1015 м по высоте разрезается деформативными швами, с введением контактных элементов (рис. 13.29 на цветной вкладке). Работа была выполнена на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ Л.Н. Рассказовым, М.П. Саиновым и Нгуен Тхань Датом. Горизонтальные швы устраиваютя в нижней части экрана в зависимости от эпюр напряжений. Периметральный шов обязателен.



На предварительной стадии проектирования максимальные главные напряжения экрана плотин высотой 100 и 200 м, можно оценить по номограммам (рис. 13.30 на цветной вкладке).


Асфальтобетонные экраны могут использоваться в плотинах низких, средней высоты и высоких. Для создания экранов применяют асфальтовые смеси, ориентировочные составы которых приведены в табл. 13.1.


Порошковообразный наполнитель бывает известняковый, кирпичный, цементный и другой крупностью 0,05-0,5 мм.

Асфальтобетонный монолитный экран укладывают и уплотняют на месте в горячем состоянии. Заложение откоса, на который укладывают асфальтобетонный экран, достигает 1 0,8 и даже круче (рис. 13.31).

В последние 10-15 лет в качестве подготовки используют гравий или щебень, уложенный слоем толщиной не менее 0,3 м, поверхность которых иногда выравнивается бетоном. Подготовкой также служит покрытие из пористого бетона, выравнивающее поверхность откоса из уплотненного камня или из кладки насухо.


В табл. 13.2 приведены конструкции асфальтобетонных экранов различных иотин, построенных 15-80 лет назад.

Экраны делают двух и трехслойными, при этом между слоями должен быть уложен тонкий слой асфальтовой мастики. Поверхность верхнего слоя также следует покрывать асфальтовой мастикой.

Наиболее опасными для экрана являются ледовые нагрузки, и при их отсутствии общая толщина двухслойного экрана составляет 9412 см.

Асфальтовые экраны не требуют защиты, так как достаточно прочны, но в некоторых случаях слой грунта или даже железобетонные тонкие плиты применяют для защиты экрана от солнечной радиации.

В последние 2030 лет асфальтобетонные экраны во многих странах нашли очень широкое распространение благодаря своей дешевизне, надежности, большей, чем у бетонных экранов, приспосабливаемое™ к деформациям упорной призмы.

В КНР построена плотина Шинеюй (г. Сиань) с асфальтобетонным экраном, основной объем упорной призмы, которой возведен направленным взрывом.

Ожидается, что применение асфальтобетонных экранов будет расширяться. Следует иметь в виду, что подбор состава асфальтобетона с учетом климатических и эксплуатационных условий требует тщательных лабораторных экспериментов. Исследования НДС плотин с асфальтобетонными экранами показали, что по контакту экрана с бортами и основанием имеют место небольшие растягивающие напряжения (0,10,2 МПа). Наибольшее их значение достигается у бортов на высоте ~0,5Я. Одиндва слоя геотекстиля для дорожного строительства (воспринимающие температуру до ~+200° С воспримут эти напряжения), В принципе такое армирование может быть осуществлено по всей площади экрана, т.к. возможно появление условии трещинообразования в экране и у гребня. Неравномерность осадок может иметь место в любом месте плотины. В этом случае геотекстиль «вторая линия обороны».

Анализ НДС на предварительной стадии проектирования может быть осуществлен по номограммам (рис. 13.30, б) [164].

Экраны из пластмассы в настоящее время применяют главным образом во временных сооружениях низких и средней высоты, хотя имеются примеры их использования и в постоянно действующих сооружениях. Основным преимуществом экрана этого типа является его гибкость и индустриальность производства.

Отличительной чертой используемых пластмасс (обычно полихлорвинило вые пленки) является их удобообрабатываемость. Они легко свариваются или склеиваются между собой, а также могут быть приклеены к гладкой поверхности бетона. Общим недостатком большинства мягких конструкционных пластмасс является слабая атмосфероустойчивость, т. е. тенденция к «старению» от солнечной радиации и действия озона (снижение прочности и пластичности). Борьба против старения ведется путем добавления наполнителей, поглощающих или отражающих лучи солнечного света (сажа, тальк, молотый песок, мелкодисперсная кремнекислота, некоторые краски и др.).

В качестве подготовки и для защиты экрана иногда используют сборные железобетонные плиты толщиной «0,15 м, укладываемые на гравийную или щебенистую подготовку, при этом одна поверхность у плит может быть плоская, а другая криволинейная. На рис. 13.32, а показана одна из осуществленных конструкций экрана на плотине Добчина. Общая толщина пластмассовых экранов, укладываемых в дватри слоя (в зависимости от высоты сооружения), колеблется от 2 до 5 мм. Пленку следует защищать от неровностей бетонных плит асфальтированным войлоком или картоном. Стыковка в зависимости от вида материала производится склейкой или сваркой. Коэффициент трения полиэтилена по различным грунтам находится в пределах 0,250,55.

Сопряжение с берегами и основанием этих экранов может осуществляться заделкой их в бетонный зуб. Один из вариантов такой конструкции показан на рис. 13.32, б.

Пленку укладывают на песчаную подготовку, при этом согласно нормам максимальная крупность включений на контакте с пленкой не должна быть более 6 мм. Толщина контактного песчаного слоя должна быть не менее 0.4 м. Такие же толщину и гранулометрический состав должен иметь защитный слой. Допускаемые напряжения в пленке из полиэтилена в зависимости от температуры, и при ее значениях от +30 до 60° С составляют от 22 до 6,7 МПа соответственно. Модули упругости в этом же интервале температур колеблются от 38,8 до 517,0 МПа.


Металлические экраны вполне удовлетворительно работают как противо фильтрационные элементы плотины. Возможная конструкция такого экрана приведена на рис. 13.33. Эти экраны гибки и использование их возможно в самых разнообразных условиях. Толщина экрана достигает 610 мм. Экран выполняется из стали специальных марок с хорошими антикоррозийными свойствами или из стали строительных марок с принятием специальных мер против коррозии. Соединение листов в настоящее время осуществляется сваркой.

Железобетонные диафрагмы. Опыт строительства плотин с такими диафрагмами выявил ряд существенных недостатков их работы по сравнению с работой плотин с негрунтовыми экранами: неблагоприятные условия работы самой диафрагмы вследствие давления воды со стороны ВБ и активного давления взвешенного грунта верховой призмы наличие прогибов, вызывающих смещение ее в нижний бьеф и возможно даже срез; образование трещин и нарушение водонепроницаемости. Поэтому для строительства таких плотин необходимо соответствующее обоснование.

В отличие от железобетонных диафрагм, асфальтобетонные диафрагмы стали получать распространение. Высота плотин с такими диафрагмами достигает 100 м и более. На рис. 13.34 показана плотина в ФРГ, построенная с асфальтобетонной диафрагмой. Максимальная толщина диафрагмы в построенных сооружениях составляет V20 Я (где Я напор на плотину) и даже V5o Я.


Асфальтобетонная смесь подается в тело диафрагмы и укладывается слоями толщиной 2030 см. В тело диафрагмы тяжелым вибратором втапливается крупный заполнитель диаметром до 300 мм. Расход битума при таком способе ведения работ будет минимальным в том случае, когда во внешнюю часть диафрагмы будет втапливаться горная масса возможно более разнородного гранулометрического состава. Появившееся распространение асфальтобетонных диафрагм объясняется их большой гибкостью по сравнению с железобетонными диафрагмами и дешевизной. Диафрагма может выполняться из литого (11 14% битума) и укатываемого (510% битума) асфальтобетона, который в основном используется на Западе.

Обычно предпочтение отдают укатываемому асфальтобетону, так как его прочностные и деформатнвные свойства способствуют повышению устойчивости таких плотин.

При строительстве плотин с асфальтобетонной диафрагмой (особенно в широком створе) иногда плотине придают некоторую арочность для увеличена сжимающих нормальных напряжений в диафрагме в примыканиях к другим сооружениям или бортам, но с верховой стороны. Иногда растягивающие напряжения появляются в направлении от борта к борту (арочные). Требуется очень тщательный анализ НДС и корректировка формы диафрагмы в зависимости от цев трального угла, чтобы растяжение исчезло или свелось до допустимых величин. В этом анализе большую роль играют деформатнвные и прочностные свойства асфальтобетона, которые представлены на рис. 1335 (здесь Ео модуль деформации при сг=1 кг/см2).


Диафрагма из пластмасс применена только на одной плотине в мире Ат башннской (Казахстан). Преимущество такой плотины (см. рис. 1236) перед плотиной с экраном заключается в меньшем воздействии атмосферы на пленку и в возможности проведения инъекционных работ при выходе диафрагмы га строя в слое грунта, окаймляющего пленку, без опорожнения водохранилища.

Наиболее сложным было решение задачи крепления пленочной диафрагмы к бетону в бортах и основании плотины при возможных существенных деформациях плотин (рис. 13.36). Толщина пленки 0,6 мм. В примыканиях с верховой и низовой сторон укладывались дополнительные защитные полотнища пленки. Собственно пленочная диафрагма воспринимает напор 41 м, так как нижние 35 м напора перекрываются цементационной диафрагмой, выполненной в насыпном аллювиальном грунте, что позволило вести работы по возведению плотины без выемки аллювия в русле реки.


Инъекционные диафрагмы в теле плотины, видимо, будут применяться чаще, так как могут выполняться при наполненном водохранилище. Опыт создания такой диафрагмы имеется на ОртоТокойской плотине (см. рис. 12.1). Их применение возможно при возведении плотины направленным взрывом (см. п. 13.5), наброской горной массы или гравийногалечникового грунта.

Стальные диафрагмы применяются редко. В настоящее время построена стальная диафрагма в виде вертикально установленного шпунта на Серебрянской плотине высотой 64 м, из них собственно диафрагмой перекрывается 27 м высоты плотины (рис. 13.37 и 13.38). На участке, где основание было сложено песчаногравийными грунтами, была выполнена шпунтовая завеса, к которой внахлёст болтами крепилась диафрагма (рис. 13.38, б).


Монтаж шпунтовой диафрагмы при вертикальном расположении шпунта в случае большой ветровой нагрузки затруднителен. Предпочтителен монтаж при горизонтальном расположении шпунта. Устройство стальной шпунтовой диафрагмы на Серебрянской плотине было вызвано отсутствием в районе строительства скелетного грунта для создания противофилырационного устройства и суровыми климатическими условиями Крайнего Севера (см. п. 13.6), затрудняющими (резко удорожающими) укладку суглинка [74].

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

на главную