АРОЧНЫЕ ПЛОТИНЫ
Одна из высоких арочных плотин двоякой кривизны - плотина Эль Кахон в Гондурасе (рис. 3.26, см. табл. 3.3). Она построена в узком створе. Малые ее толщины не затрудняют производство работ.
Объем создаваемого водохранилища 5,6 млн м3; максимальный расход реки 1400 м3/с, который уменьшается в 4 раза за счет аккумулирования воды в водохранилище.
В состав гидроузла входят подземная гидростанция с установленной мощностью 600 МВт, расположенная на левом берегу, туннель, проложенный на правом берегу для пропуска строительных расходов (т = 570 м, dT= 13 м).
Сопоставление вариантов гидроузла с арочной плотиной (принятого) и с плотиной из грунтовых материалов показало, что последний на 14 % дороже.
Плотина построена в районе с высокой сейсмичностью, что учитывалось в расчетах ее прочности, выполненных методом пробных нагрузок и конечных элементов. Физическая модель плотины до разрушения выдержала семикратную перегрузку по сравнению с расчетной гидростатической нагрузкой. Чтобы разгрузить слабую скалу в левобережном примыкании, первые 16 м температурно-усадочного шва (считая от гребня плотины) не омоноличили, а заполнили вспененным пластиком. При этом напряжении в плотине перераспределились в ограниченной зоне. По своему существу это мероприятие сходно с устройством швов-разрезов в верхней части известной японской арочной плотины Куробе-4 (см. рис. 3.3, а и, например, [3]).
На левом берегу, где верхняя часть скалы была слабой, сделали выемку объемом 1,9 млн м3, что больше объема плотины, равного 1,6 млн м3. Вариант с меньшими врезками плотины в скалу, но с ее укреплением получился более дорогим. К тому же после снятия скалы сечение долины по створу получилось практически симметричным, что улучшило напряженное состояние сооружения.
В основании плотины устроены противофильтрационная завеса, дренаж и два ряда цементационных галерей общей длиной 10,8 км, некоторые из них проходят на глубине 20 м от поверхности русла. Конструкция противофильтрационной завесы отличается от обычной. Она представляет собой трубообразную конструкцию с вертикальными стенками и горизонтальным дном, доходящим со стороны верхнего бьефа до маловодопроницаемой вулканической скалы.
Бетонную кладку охлаждали водой, подаваемой от холодильной установки по змеевикам из пластиковых труб, проложенных через 3 м по высоте. Ширина бетонируемых блоков составляла 18 м, ежедневный прирост блоков по высоте - 3 м. Бетонную смесь укладывали кабель- кранами пролетом по 650 м с бадьей вместимостью 9 м3, разравнивали бульдозерами, уплотняли специальными машинами с восемью вибраторами. За сутки укладывали максимум 6 тыс. м3. Швы между блоками омоноличивали после того как температура бетона опускалась до 24 °С, то есть на 2 °С ниже средней температуры воздуха в месте строительства.
Бетонную смесь использовали двух составов: для внутренних зон сооружения максимальный размер заполнителей составлял 120 мм, расход цемента - 150...180 кг/м3, а для внешних зон - соответственно 60 мм и 200 кг/м3. Цемент использовали местного производства с 25 %-ным содержанием пуццолана.
Температура речной воды снижалась с 23 до 20 °С, а воды для затворения бетонной смеси - с 29 до 4 °С. Время охлаждения бетона составляло 126...117 сут (в зависимости от расхода цемента на 1 м3 бетона), после смены марки цемента его уменьшили до 90 сут. Заполнители для бетонной смеси не охлаждали.
В Кении на реке Суам на отметках несколько более 1000 м строят тонкую высокую арочную плотину Турквель двоякой кривизны (рис. 3.27, см. табл. 3.3). Створ узкий.
Толщина арочной части плотины понизу 12,5м и поверху 3 м. Центральная часть располагается на пробке (седле) высотой 20 м. Расстояние между цементируемыми временными температурно-усадочными швами 15 м. Предусмотрено устройство цементационной и дренажной завес (глубина цементационной завесы в русле 85 м). Они должны заходить и в борта ущелья, пересекая тектонические нарушения в них.
Плотина запроектирована с водосливными отверстиями на гребне (4 пролета по 15 м, высотой 3,6 м) и глубинным водовыпуском (вода- сбросом), рассчитанным на расход 515 м3/с.
Водосливные отверстия должны направлять струи воды к центру долины, чтобы они не размывали берега. Водовыпуск снабжен сегментными аварийными затворами размерами соответственно 3,6 х 4,0 и 4,0 х 4,0 м. Ниже этих отверстий устроено глубинное отверстие с конусным затвором (расход 25 м3/с).
Для пропуска строительных расходов 2350 м3/с при 10 %-ной обеспеченности сооружен туннель с сечением площадью 110 м2, длиной 740 м. При наполнении водохранилища его перекрывают бетонной пробкой. Плотину должны возводить слоями высотой 3 м, температура бетона должна быть не более 50 °С. Для выполнения этого условия предусмотрена добавка льда при изготовлении бетонной смеси и постоянная циркуляция воды, охлажденной до 28 °С, по проложенным в слоях бетонирования трубам. Указанные мероприятия позволят омоно- личивать швы в бетоне при температуре последнего, не превышающей 22 °С.
Плотина Кабора Басса, построенная на реке Замбези (Мозамбик) в узком ущелье, относится к тонким арочным плотинам (см. рис. 3.3, в, табл. 3.3). Она имеет небольшое поверхностное отверстие на гребне шириной 12 м, перекрытое клапанными затворами высотой 5,1м, и глубинный водосброс с восемью отверстиями шириной по 6 м, заглубленными на 80 м под НПУ и перекрытыми сегментными затворами высотой 7,8 м. Расчетный расход водосброса 14 тыс. м3/с, гидростанции, расположенной на правом берегу в нижнем бефе вблизи плотины, 5 х 452 = 2260 м3/с.
Фактические условия работы водосбросов оказались отличными от проектных. В 1978 г. паводок (20 тыс. м3/с) пропустили без затруднений. В дальнейшем же эксплуатация гидроузла осложнилась, так как вышла из строя ЛЭП и резко уменьшилась рабочая мощность ГЭС, упав до нескольких десятков МВт. В результате этого почти весь сток реки пришлось пропускать через заглубленные водосбросные отверстия в нерасчетном режиме. Несмотря на это плотина и все элементы водосброса работали нормально. Не было кавитационных повреждений и вибраций сегментных затворов при частичных открытиях (хотя такая их работа не предусматривалась). Размывы русла в нижнем бьефе были незначительными. Однако периодически приходилось убирать гряду отложений крупных донных наносов, образующуюся в нижнем бьефе за гидростанцией, и были некоторые неблагоприятные особенности в работе гидростанции, особенно при малых нагрузках.
При длительной работе водосброса в нерасчетном режиме в узком ущелье образорывался густой туман, временами переходивший в дождь. Повысившаяся влажность неблагоприятно повлияла на аварийные дизельные агрегаты, хлораторную, кондиционеры, систему вентиляции подземного машинного здания ГЭС. На кранах затворов отсасывающих труб ГЭС образовывался слой водорослей, что потребовало дополнительных затрат труда на поддержание механизмов и элементов в рабочем состоянии.
В то же время применение заглубленных водосбросов позволило сократить срок строительства на один год, быстро опорожнять часть водохранилища для приема паводка или срезки его пика, улучшить качество воды в водоеме путем сброса аэробных масс, обогащенных метаном, частично опорожнять водохранилище при каких-либо ремонтных работах, повысить надежность эксплуатации.
На основе опыта эксплуатации гидроузла с заглубленными водосбросными отверстиями рекомендуется размещать различное вспомогательное оборудование на расстоянии не менее 200...300 м от водосброса и применять герметическое электротехническое оборудование.
К тонким арочнкм плотинам двоякой кривизны относятся также плотины Виктория в Шри-Ланка, Стронция Спрингс в США, Миатлинская в России (см. табл. 3.3).
Плотина Виктория (см. рис. 3.5, б) имеет сегментные затворы на гребне и расщепители струи на носке такие же, как на бетонных плотинах разных конструкций в ЮАР (например, Реностеркоп, см. рис. 3.27).
Плотина Стронция Спрингс возведена на плотных гранитах с нерегулируемым водосливом на гребне, глубинным водоспуском диаметром 1,2 м с конусным затвором. Кроме того, она имеет резервный водослив-быстроток на левом берегу с размываемой грунтовой вставкой высотой 5 м. Вяжущие бетона; цемент 152 кг/м3 и зола-уноса до 65 кг/м3. Швы омоноличивали ярусами высотой 13,8м при искусственном охлаждении блоков до температуры 4 °С (сначала речной водой, а затем раствором пропилового спирта).
Миатлинская водосливная плотина интересна тем, что ее возводили новым высокопроизводительным для тонких арочных плотин методом поярусного бетонирования (слоями, последовательно от одного до другого берега) при оперативном непрерывном трубном охлаждении бетона в блоках (речной водой и водой, пропущенной через холодильную установку) и теплоизоляции внешних граней плотины. Ее разделили временными температурно-усадочными цементируемыми швами на восемь секций шириной в среднем 17 м каждая. Превышение секций друг над другом допускалось не более чем на один блок (высота блока 1,5 м - два слоя по 0,75 м). Срок перекрытия блоков не превышал 7 сут. Бетон укладывали кранами КБГС-450 с бадьями вместимостью 3,2 м3. В межсекционных швах устанавливали несъемные железобетонные панели, имеющие гладкую лицевую поверхность со штрабами и шероховатую тыльную поверхность. Температуру верхних карт цементации снижали с 20 до 7 °С в течение 40...45 сут. На входе в змеевик температура воды была 3...4 °С. Плотину охладили в 3 раза быстрее, чем принято в практике. При указанной поярусной технологии получили рекордные темпы роста плотины в высоту: в среднем 7,7 м/мес, максимум 12 м/мес. При этой технологии отсутствовало трещинообразование.
Из толстых (с коэффициентом стройности 0,2 < b/h < 0,35) отметим плотины Ридраколи в Италии, Кассеб в Тунисе и Мансур-Эддахба в Марокко (см. табл. 3.3). Все три плотины двоякой кривизны, оборудованы большим количеством контрольно-измерительной аппаратуры, без затворов на водосливном гребне. Причем плотины КассеЬ и Мансур-Эддахба имеют оголовки вакуумного профиля.
Плотина Ридраколи (рис. 3.28) имеет контурный (периметральный) шов, что характерно для итальянских плотин. В нижнем бьефе устроены довольно длинная водобойная плита и высокая стенка. Хотя целесообразнее было бы устроить на носке (несколько более развитом) расщепители струи, что облегчило бы устройство нижнего бьефа. Построена плотина в районе с сейсмичностью 10 баллов по 12-балльной шкале Меркалли. Ее напряженно-деформированное состояние исследовали на модели в масштабе 1:600 и методом конечных элементов. Максимальные сжимающие напряжения в бетоне при основном сочетании нагрузок не превышали 5,2 МПа, то есть, были невысокими. Исследовалась на моделях (доводимых до разрушения) и работа плотины при динамических воздействиях.
Максимальное напряжени в основании составляло 1,6...2,9 Мпа. Так как основанием была трещиноватая и в береговых массивах недостаточно прочная скала (песчаники, мергели и др.), поэтому оправданным было устройство довольно развитой подушки (седла). В связи с геологической обстановкой проводили большие цементационные и дренажные работы. Устойчивость откосов выемок обеспечивалась напряженно-армированными анкерами и защитой поверхностей на- брызг-бетоном и металлическими сетками.
Арочно-гравитационные плотины из укатанного бетона Кнеллпурт и Уолведанс (рис. 3.29, возводится) в ЮАР (см. табл. 3.3) в целях упрощения строительства приняли цилиндрическими с вертикальной верховой гранью. Слои из обычного бетона у граней устроены так же, как у гравитационных плотин. Причем низовая грань выполнена ступенчатой для гашения энергии сбрасываемого потока. Водосливы не имеют затворов. Детали конструкций плотин Кнеллпурт и Уолведанс (см. рис. 3.31, б) в основном аналогичны.
Несмотря на то что плотины выполнены из укатанного бетона, все-таки считали возможным образование трещин в них. Поэтому применили (чтобы избежать возникновения неорганизованных трещин) специальные трещинообразователи - инициаторы направленных радиально вертикальных трещин, впоследствии цементируемых (см. рис. 3.31, б). По существу они заменяли обычные для арочных плотин временные цементируемые температурно-усадочные швы. Устройство их (с расположением в них контрольно-измерительных термопар и щелемеров струнного типа) позволило обеспечить необходимую монолитность конструкции.
Трещинообразователи в плотине Кнеллпурт представляют собой вертикальные прорези (150x20 мм), устроенные в защитных зонах из обычного бетона шириной 60 см, а в плотине Уолведанс ими являлись плоские пластмассовые прокладки размером 150 х 2 мм, способствующие образованию радиальной трещины-шва. Между верховыми и низовыми трещинообразователями с шагом 1 м по высоте установлены направляющие радиальных трещин внутри укатанного бетона.
На основании замеров температур и размеров трещин уточнялось время цементации радиальных трещин-швов. При несущественном трещинообразовании цементацию проводили с помощью закладных трубок диаметром 25...Э2 мм после полного остывания бетона и максимального раскрытия трещин.
Наилучшие результаты получили при цементации, принятой на плотине Уолведанс. Эта цементационная система легко и быстро монтировалась и практически не снижала интенсивность укладки бетона.
Плотину Кнеллпурт бетонировали за один зимний сезон, то есть не при высоких температурах воздуха, поэтому проще были меры по борьбе с трещинообразованием.
При строительстве плотины Уолведанс температура укладываемого бетона доходила до 30 °С, что на 12°С превышало максимальную требующуюся. Холодильная установка (на жидком аммиаке) позволила снизить температуру укладываемого бетона всего на 2 “С. Ввиду этого было разрешено бетонирование при температурах до 24 °С, поэтому рекомендовалось основной объем бетона укладывать зимой, а остальной объем - в другое время года при температуре бетона до 24 °С. В обеих рассматриваемых плотинах для улучшения сцепления смежных слоев укатанного бетона укладывали тонкий слой обычного пластичного бетона (шириной 5 м) со стороны верховой грани, а также в тех местах, где предполагалось, что сцепление будет недостаточным.
Характеристики укатанного бетона плотин Кнеллпурт и Уол- веданс были следующие: прочность бетона в возрасте 28 сут соответственно 18 и 23,7 МПа; водоцементное отношение 0,53 и 0,43; содержание портландцемента 59 и 58 кг/м3, золы-уноса 136 и 136 кг/м3; размер заполнителя (песок и крупные фракции) 38...53,19...38 и 4.75...19 мм; теоретическая максимальная плотность 2671 и 2480 кг/м3.
Представляет интерес построенная в КНР из укатанного бетона арочная плотина Ситоу (рис. 3.30). Она выполнена без слоев обычного бетона у граней и с подушкой в основании из такого бетона.
При возведении в КНР плотин из укатанного бетона применяют пластичный бетон с высоким содержанием вяжущих (более 150 кг/м3). При этом не менее 60 % приходится на золу-уноса или на другие пуццо- лановые добавки.
