Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПЛОТИНЫ

При возведении гравитационных плотин на скальном основании широко применяют укатанный малоцементный бетон ввиду еГо достоинств, указанных в разелах 3.1 и 3.2. Рассмотрим несколько достаточно характерных таких плотин значительно меньше, чем в ряде плотин других стран, например, в плотинах Элк Крик и Аппер Стилуотер (США) его 90 %. Он расположен во внутренней зоне сооружения и покрыт слоями менее водопроницаемого обычного бетона, имеющего большой удельный расход вяжущего и уплотненного вибратором.

Такие не очень тонкие защитные слои из обычного бетона характерны для японских плотин. Их устройство и обусловило сравнительно невысокий процент укатанного бетона: например, для плотины Сими- дзигава - 52 %, Окава - 30 %, Парика - 33 %. В проектируемых плотинах он также невелик: для плотины Сиромачугава - около 60 %, Асах- ногава и Сахаигава - 50 %, Моно - всего лишь 30 %. Рекомендации по возведению плотин из укатанного бетона с использованием обычного бетона дал Комитет по рационализации строительства бетонных плотин Японии (RCD), поэтому так назвали и метод строительств? - метод RCD. При нем работы выполняют по двум технологиям: с укаткой бетона и по обычной - с применением кабель-кранов и вибраторов. Из-за экзотермии бетона необходима борьба с трещинообразованием. Такая технология, естественно, ухудшает экономические характеристики сооружения по сравнению с аналогичными характеристиками конструкций, не требующих значительного объема традиционного бетона.

Укатанный бетон укладывают и уплотняют тонкими слоями, чтобы уменьшить расслоение составляющих смеси в пределах слоя и соответственно водопроницаемость и увеличить прочность бетона. Обычно слои, уплотняемые гладкими виброкатками, имеют толщину 50...80 см и образуется из предварительно разравниваемых трех слоев. На плотине Тамагава уплотняли слои толщиной 75 см, состоявшие из трех тонких слоев по 25 см. Между уплотняемыми слоями укладывали тонкий слой (~ 1,5 см) подвижного раствора. Чтобы уменьшить расслоение смеси, крупность заполнителей обычно ограничивают 80 мм, но иногда применяют и более крупный заполнитель.

Бетонную смесь к месту укладки доставляют обычно самосвалами. При небольших объемах бетона бывает целесообразнее транспортировать бетонную смесь бетононасосами или ленточными транспортерами.

По данным испытания на водопроницаемость образцов-кернов по контактам слоев плотины Окава, коэффициенты фильтрации укатанного бетона были довольно низкими: от 1,7 до 7,4 .10-6 см/с [3]. С уменьшением количества вяжущего водопроницаемость бетона существенно увеличивается, что повышает роль малопроницаемой зоны из обычного бетона, располагаемой у верховой грани плотины. Это подтверждает и опыт эксплуатации плотины Уиллоу Крик в США (см. табл. 3.1), в которой укатанный бетон имел расход вяжущего всего 66 кг/м3 (Ц - 47 и ЗУ - 19 кг/м3), небольшим был и расход вяжущего (цемента) в слое уплотненного вибраторами бетона, уложенного у верховой грани (104 кг/м3). Плотность укатанного бетона была 2466 кг/м3.

В этой плотине отмечалась повышенная фильтрация. Видимо, при очень малом количестве цемента в укатанном бетоне следовало устроить более надежную противофильтрационную защиту на верховой грани и обеспечить надлежащую связь между горизонтальными слоями. Возможно, недооценка фильтрации при строительстве этой плотины была вызвана тем, что она большую часть года должна работать при небольшом напоре (предназначена для задержания паводка). Плотина Уиллоу Крик, как и большинство других плотин из укатанного бетона в США, выполнена без поперечных температурно-деформационных швов.

На плотине Элк Крик в США предусматривается нарезать такие швы вибрационным резаком, подвешенным к стреле экскаватора. Она сооружается в районе повышенной сейсмичности и высокой плотности населения. Поэтому решено повысить содержание вяжущего в укатываемой бетонной смеси (Ц - 70 и ЗУ - 23 кг/м3) и предусмотреть меры к обеспечению надежной трещиностойкости и водонепроницаемости бетона.

Прочностные свойства укатанных бетонов, естественно, зависят от состава бетона, особенно от расхода вяжущего (рис. 3.11).

Водобойные плиты не обязательно выполнять из бетона, уплотняемого вибраторами (как на плотине Тамагава - см. рис. 3.10, б). Их устраивают и из укатанного бетона (пример - японская плотина Шин- Накано).

Самая крупная по объему плотина из укатанного бетона (1223 тыс. м3) - плотина Аппер Стиллуотер высотой 90,3 м (рис. 3.12). Внутреннюю зону из укатанного бетона в ней выполнили с большим количеством золы-уноса, более чем в 2 раза превышающим количество цемента (зола-уноса дешевле цемента, например, в США почти в 2 раза). Состав укатанного бетона (кг/м3) в ней такой: портландцемента 77, золы-уноса 170, воды 107, песка 673, щебня фракций 5...20 глухих частей плотины 40 мм соответственно 610 и 745. Плотность бетона 2381 кг/м3. Как видно, расход вяжущего довольно большой (в основном за счет более дешевого компонента - золы-уноса) при относительно небольшом количестве цемента. При таком техническом решении не требовалось обеспечивать водонепроницаемость облицовки верховой грани. Толщину наружных зон (у напорной и низовой граней) приняли очень небольшой (в среднем всего 0,6 м), не добиваясь их термической трещино-стойкости (швы между облицовочными блоками могут раскрываться). Эти зоны выполнили индустриальным хорошо механизированным методом, использовав при бетонировании наружных зон указанных на рисунке 3.14 очертаний специальную автоматизированную установку типа бордюроукладчика с горизонтально скользящей опалубкой. При таких наружных зонах объем укатанного бетона составил 90 %. Для его увеличения гребень плотины сделали уширенным, что не помешало и ее верхнюю часть возводить принятым методом.

Плотина имеет глухую и водосливную части, донный водоспуск. Водослив рассчитан на довольно большой расход (2125 м /с). Пропуск его по шероховатой поверхности в виде уступов (см. рис. 3.12, позиции 2 и 5; низовая грань глухой части без уступов - см. позиции 3 и 4) позволяет погасить около 70 % энергии сбрасываемого потока и существенно сократить размеры водобойного колодца. Скорость в нем менее 5 м/с.

Из ступенчатых блоков выполнена и водосливная грань плотины Монксвилл (США, h = 46 м, рис. 3.13). При этом в ее нижнем бьефе, если не считать небольшую упорную подушку, крепление отсутствует. Однако без него может произойти размыв.

Плотина Аппер Стиллуотер возведена в горном районе на высоте 2440 м, где наблюдаются не только положительные, но и отрицательные температуры. В связи с этим при ее строительстве большое внимание обратили на предотвращение трещинообразования - предусмотрели искусственное охлаждение компонентов смеси жидким азотом. Возводили ее, как и все другие плотины из укатанного бетона, только при положительных температурах воздуха.

Бетонная смесь от завода подавалась к плотине транспортером (ширина ленты 1,2 м), а к местам укладки развозилась по плотине бетоновозами, где затем разравнивалась бульдозерами слоями толщи-

Рис. 3.13. Поперечный разрез водосливной секции плотины гидроузла Монксвилл (США): ной 45 см и уплотнялась выброкатками с гладкими цилиндрическими вальцами до толщины 30,5 см.

Плотину возвели за 11 рабочих месяцев при низком уровне трудо-затрат (27 чел. в каждой смене на плотине и 82 чел. на бетонном хозяйстве). Работы выполняли в две смены при семидневной рабочей неделе. Интенсивность бетонирования достигала 575 мз/ч.

Насколько оправданными окажутся принятые основные технические решения, покажет опыт эксплуатации плотины.

В общем можно отметить, что в США при строительстве плотин из укатанного бетона начали применять бетонные смеси не с малым (до 100...120 кг/м3), а с большим содержанием вяжущего (до 200 кг/м3 и даже более - плотина Аппер Стиллуотер). Этим достигается уменьшение сегрегации, большая однородность плотности бетона по высоте слоя, увеличение водонепроницаемости горизонтальных строительных швов, уменьшение разброса прочностных показателей бетона. Однако при этом несколько ухудшаются стоимостные показатели и возрастает тепловыделение бетона, то есть повышается вероятность трещинообразования, при котором могут потребоваться соответствующие мероприятия по его предотвращению.

Малоцементный укатанный бетон начали применять и в некоторых странах Южной Америки. При строительстве гидроузла Итайпу (Бразилия-Парагвай) на реке Паране около 26 тым. м3 такого бетона было уложено в примыканиях здания ГЭС в отводящем канале к водопропускному сооружению.

При строительстве гидроузла Тукаруи (Бразилия) из укатанного малоцементного бетона выполнили стены камеры крупного судоходного шлюза.

Для предотвращения трещинообразования в данных условиях смачивали холодной водой крупный заполнитель при подаче его в бункер завода и заменяли часть воды чешуйчатым льдом, чтобы температура укладываемого бетона не превышала 14 °С.

В 1960 г. за 100 дней построили практически целиком из укатанного малоцементного бетона (90 %) плотину Секо Нова Олинда (Бразилия) высотой 60 м общим объемом 144 тыс. м3. Толщина защитного слоя на верховой грани составляла всего 0,6...1,0 м. При изготовлении бетона для этой плотины вместо золы-уноса применили пуццолановый цемент и использовали мелкий заполнитель из естественного песка. Состав бетона был таким (кг/м3): пуццолановый цемент 70, щебень крупностью 0...30 мм 1670, крупностью 30...70 мм 565; вода 142, В/Ц = 2,03. Коэффициент фильтрации бетона был 1 -10~6 см/с.

Представляет интерес конструкция защитного слоя на напорной грани крупной аргентинской плотины, возведенной практически целиком из укатанного бетона, гидроузла Урагва-Ц. Максимальная высота 78 м, длина по гребню 700 м.

На верховой грани плотины установлены сборные железобетонные плиты размерами 2,0х 2,0х 0,1 м, оклеенные с внутренней стороны полихлорвиниловой пленкой толщиной 2 мм. Для предотвращения фильтрации через стыки пленки их перекрыли полосами такой же Пленки, приваренными с помощью горячего воздуха. Иногда для борьбы С фильтрацией устраивают сплошной экран (упругопластичную мембрану) на защитном слое из обычного бетона (плотина Гейсвилл в США, ф = 51,1 м, построенная из укатанного бетона в 1985 г.). Низовая грань Пыполнена в виде ступеней высотой по 0,4 м и шириной 0,32 м. Они образованы с помощью деревянных опалубочных щитов, укрепленных арматурными стержнями, забиваемыми в нижележащий слой укатанного бетона. Укатываемую малоцементную бетонную смесь укладывали на всем пространстве между опалубкой и подвижным бетоном у аерховой грани. Слоям бетона придавали уклон 5° в сторону нижнего бьефа, чтобы отводилась дождевая вода (район строительства характеризуется тропическими ливнями). Устойчивость (прочность) плотины по наклонным слоям была проверена расчетами. Уклон в сторону верхнего бьефа (как, например, на плотине Секо Нова Олинда) привел бы к |астою воды у полимерного экрана.

На невысокой (h = 26 м) гравитационной плотине из укатанного бетона Риу (Франция) для обеспечения водонепроницаемости ее верхввой грани использован двухслойный экран из полихлорвиниловой пленки (толщиной 2,0...2,5 мм) и геотекстильного материала.

При возведении плотин из малоцементного укатанного бетона в Южной Америке галереи (потерны) в них устраивают путем отсыпки в месте их расположения щебня вместо бетонной смеси, чтобы не нарушать фронт укладки бетона. После создания над верхом галереи достаточного слоя бетона щебень извлекают ковшовыми погрузчиками, пол галереи выравнивают укладкой слоя бетона, а неровные поверхности стен и потолка галереи считаются приемлемыми. Аналогично потерну выполняли и в недавно построенной из укатанного бетона в ЮАР плотине Заайхок (см. табл. 3.1). Она имеет вертикальную верховую грань и ступенчатую низовую. В ее основании лежат долериты. Грани плотины облицованы обычным бетоном с расходом цемента 250 кг/м3. В укатанном бетоне вяжущего 105 кг/м3 (портландцемента 30 %, шлака 70 %).

В Гвиане строят из укатанного бетона гравитационную плотину Пети Со высотой 47 м. Климат здесь жаркий влажный с годовым количеством осадков больше 3000 мм. Водосливная секция плотины - без затворов на ее гребне. Для пропуска строительных расходов и сработки водохранилища предусмотрены донные отверстия; максимальный сбрасываемый в паводок расход 3900 м3/с. В данных условиях плотина из укатанного бетона оказалась предпочтительнее земляной, так как она надежнее и завершить ее строительство можно - в сухой сезон 1992-1993 гг.

В ЮАР с применением малоцементного укатанного бетона построена также плотина Араби с максимальной высотой 36 м. Общий объем бетона 142,8 тыс. м3, в том числе укатанного 107,4 тыс. м3 и обычного 35,4 тыс. м3. Г рани облицованы обычным бетоном. Состав укатанного бетона; портландцемент 36 кг/м3 (33 %) и шлак 74 кг/м3 (64 %), вода 110 л/м3 (максимально), фракции заполнителей 19...75 мм - 35 %, 0,07...38 мм - 35 %, речного песка 20 %, карьерного песка 10 %; крупный заполнитель - из гранита. Через 40 сут прочность укатанного бетона достигла 15 МПа, а плотность - 2400 кг/м3.

Укатанный бетон начали применять в США и при реконструкции или восстановлении находящихся длительное время в эксплуатации бетонных сооружений. Его стали использовать и для небольших плотин, в том числе возводимых и на нескальных основаниях (Сидар Фолс и Лоуер Чейз Крик). Рассмотрим плотину Сидар Фолс (рис. 3.14), которую построили в 1986 г. взамен старой ряжевой плотины, признанной ненадежной. Плотина имеет максимальную высоту 9,1 м, сооружена на песчаногравийных отложениях большой мощности. Длина ее глухой бетонной части 134 м, открытого бетонного водосброса - 30,5 м; пропускаемый расход воды 85 м3/с. Ширина водосливного гребня принята 4,6 м иэ условия производства работ по укатке бетона; его отметка на 1,5 м ниже гребня глухой плотины. В плотине предусмотрены водовыпуск на низких отметках (труба диаметром 2 м) и водоприемник водозабора с плоским колесным затвором. Они были сооружены до начала укладка бетонной укатываемой смеси в плотину, чтобы не затрудняли этот процесс. Под водобоем и рисбермой устроены гравийная дрена 9 на водопроницаемом геотекстиле 8, препятствующем суффозии. Гашении энергии способствует ступенчатость низовой грани плотины.

Во избежание разжижения грунтов основания в поверхностном слое часть его заменили и уплотнили (см. рис. 3.16). Расчетные значения осадки плотины (порядка 2,5 см) и максимальных растягивающих напряжений в бетоне (около 0,69 МПа) учли при проектировании его состава. В связи с этим бдетонную плотину выполнили без поперечных температурно-деформационных швов.

Содержание вяжущего в плотине приняли не очень малым - 202 кг/м3, в том числе цемента 110 кг/м3 и золы-уноса 92 кг/м3. При этом прочность укатанного бетона в 7- и 28-дневном возрасте примерно составила соответственно 15,2 и 22,5 МПа.

При бетонировании смесь распределяли по поверхности малогабаритными бульдозерами и ковшовыми погрузчиками. Уплотнение бетона выполняли вибрационным катком с гладким вальцом' массой 10,2 т, в труднодоступных местах использовали небольшие вибрационные катки.

При формировании верховой и низовой граней применяли обычный бетон, располагаемый слоями толщиной 0,3 м, одновременно с укладкой укатанного бетона, что способствовало лучшей связи между ними. Укатываемую бетонную смесь уложили за короткий срок: 4205 м3 бетона за 14 сут.

Стоимость укатанного бетона 57 долл/м3, а обычного 196... 262 долл/м3; бетон облицовок стоил 285 долл/м3. В данном случае даже при небольшой длине водослива глухую часть плотины выгодно делать из укатанного бетона, а не из грунта.

Из недавно построенных в условиях жаркого климата относительно высоких гравитационных плотин на скальных основаниях, возведенных без применения укатанного бетона, можно отметить индийскую плотину Карджан высотой 86 м смешанного типа. При общей длине по гребню 900 м она состоит из бетонной секции длиной 380 м (включающей водослив длиной 191 м, девять пролетов которого перекрыты сегментными затворами высотой 14 м) и секции из каменной кладки длиной 520 м. Такое инженерное решение, однако, нельзя считать характерным для современного гидротехнического строительства. На водосливе этой плотины предусмотрена галерея для аэрации сбрасываемого пбтока.

Представляет интерес недавно построенная в Австралии из обычного бетона плотина Бердекин Фолс высотой 57 м (рис. 3.15 и 3.16, см. табл. 3.1). Она имеет длину по гребню 876 м, предназначена для регулирования речного стока и использования запасов воды в водохранилище объемом 1,86 млрд м3 вначале для целей орошения земель, а в дальнейшем, когда высоту плотины увеличат на 14,5 м, и для выработки электроэнергии. Расположена плотина на прочных туфах. Она имеет водослив с большой длиной по гребню (504 м), обусловленной значительными паводками в летний период: его максимальный расход воды обеспеченностью 0,1 % составляет 79 600 м3/с. Пропускная способность водослива принята 64 600 м3/с. Его гребень устроен без затворов и расположен ниже верха глухой части на 15 м. Левобережная глухая секция плотины имеет водовыпуск, состоящий из водоприемника и трех водоводов сечением 2x3 м каждый (общий расход их 125 м3/с при относительно низких уровнях верхнего бьефа). Отверстия перекры-ваются сегментными затворами. Для пропуска бытовых расходов в процессе строительства служат как построенные водоводы в левобережной части, так и два временных водовыпуска (с площадью поперечного сечения 4,4 мг), расположенных на низких отметках в правобережной части, а также оставленные на низких отметках четыре секции водосброса шириной по 18 м.

Ввиду высокой прочности скалы в нижнем бьефе водосливной части не предусматривали никаких гасящих устройств. Горизонтальный поток с бетонного водобоя переходит на скалу, далее направляется к расположенному вблизи водопаду. Размыв скалы в нижнем бьефе уменьшается аэрацией потока, создаваемой аэраторами в разделительных стенках (см. рис. 3.18, г), или расщепителями на водосливной поверхности. Последние в ряде стран получают драспространение и считаются эффективными (например, в ЮАР на плотинах Ласкоп, Реностеркоп - табл. 3.2, и др.). Насколько эффективными в данных условиях окажутся указанные меры по предотвращению опасных размеров скалы в нижнем бьефе, покажет эксплуатация гидроузла.

Бетон во внутренние зоны укладывали со смешанным вяжущим (100 кг портландцемента и 60 кг золы-уноса). Максимальная крупность применяемого гранитного щебня до 150 мм. Максимальная температура массивного бетона при укладке изменялась от 27 °С летом до 21 °С зимой. Для регулирования температуры укладываемого бетона использовали добавки льда вместо части воды затвердения. Максимальный подъем температуры бетона в блоках около основания через 2 сут после укладки составлял около 18 °С.

Для укладки бетонной смеси применяли самосвалы.

Из старых низконапорных плотин на нескальных основаниях представляет определенный интерес железобетонная плотина Макаритане (рис. 3.17), построенная в Мозамбике на реке Лимпопо в районе Шоква в 1956 г. Она имеет низкий порог, 39 водосливных отверстий пролетом 13,22 м каждое, перекрытых клапанными затворами (уравновешенными сверху). Расчетная высота подпора над порогом 3,5 м. Уровень высоких вод в проекте принят на отметке 34,85 м. Основание плотины - аллювиальные отложения (пески довольно плотные, мелкие и средние, местами с гравием и галькой), подстилаемые плотной глиной на глубине в среднем примерно 12 м. Под быками и устоями плотины устроен фундамент на цилиндрических опорах-колодцах, заглубленных на 6.. .8 м. Флютбет отделен от быков конструктивными швами, причем каждая его секция как бы зацепляется за быки, так как швы между быками и флютбетом в плане выполнены с уступами.

Под флютбетом имеется три ряда шпунтов, доходящих до глины. В связи с этим фильтрационное давление под плитой водосливного порога, расположенной между верховым и средним шпунтами, наибольшее, что и подтвердилось замерами пьезометрических давлений, выполненными в 1958 г. На участке верхового шпунта гасится 0,34... 0,42 Н, где Н - напор на плотине, причем показания пьезометров № 1 и 2 - в начале и в конце плиты - очень близки или одинаковы, то есть по длине плиты гашение напора весьма небольшое. В пролете № 20 по пьезометру № 3 был зарегистрирован остаточный фильтрационный напор (~ 0,15 Н) на сравнительно тонкую (толщина примерно 0,9...1,0 м) плиту водобоя, а в пролете № 30 его не было.

По плотине проходят два мостовых перехода - автодорожный и железнодорожный. В двух пролетах автодорожный мост взорван при военных действиях.

Визуальный осмотр плотины показал, что бетон плотины, затворы, быки и флютбет в общем находятся в хорошем состоянии, существенных размывов берегов в нижнем бьефе нет (очевидно потому, что ширина водосбросного фронта мало отличается от ширины естественного русла).

Несмотря на то что за 26 лет плотина проработала достаточно хорошо, однако в ее конструкции можно отметить следующие недостатки: отсутствие дренажа под водобоем и нижней частью подошвы плотины; громоздкие затворы, которые трудно ремонтировать; нерациональны цилиндрические опоры при имеющемся основании, целесообразнее было бы объединить в секции два-три пролета, разрезав плотину по осям толстых быков, и др.

Заанкеренные в основании плотины стали применять довольно редко, но они необходимы, например, при наращивании и повышении устойчивости существующей плотины. Недавно в Марокко нарастили на 9 м гравитационную плотину Иалла Такеркуст (рис. 3.18 и 3.19) высотой 52 м, построенную на реке Нфис в 1929-1935 гг. В результате этого существенно увеличилась полезная емкость водохранилища, которая подвергалась значительному заилению.

Центральные глухие секции плотины, быки и устои водосброса заанкерели в основании предварительно-напряженными анкерами из пучков арматурных канатов (прядей). Прежние береговые секции расширили путем развития профиля в сторону низовой грани. С ними сопрягли новые береговые секции. Длина плотины по гребню после ее реконструкции возросла с 357 до 510 м. Всего в глухих секциях было установлено 54 анкера (4 анкера на секцию с шагом 3 м, иногда 2 м) с рабочим усилием от 5540 до 6690 кН. Основание плотины в русловой части сложено черными сланцами, в центральной и левобережней частях - тонкозернистыми метаморфизированными песчаниками, переслаиваемыми сланцами, в правобережной части - преимущественно сланцевыми породами.

Дополнительную анкеровку вновь уложенного бетонного массива к старому в глухих центральных секциях осуществили 172 короткими анкерами, состоящими из трех канатов. Из них 100 анкеров закрепили в галереи и 72 - в бетоне тела Ллотины (рис. 3.20).

Наращивание профиля плотины в сторону нижнего бьефа получалось примерно в 2,5 раза дороже анкеровки, поэтому его сделали лишь для восьми береговых секций высотой менее 20 м.

Анкеровку применили также для повышения устойчивости плотины Бегнелл (США) высотой 45,6 м. Здесь установили (1981-1982 гг.) 277 анкеров из многожильной стальной проволоки, с расстоянием между ними 2,43 м. Длины анкеров изменялись от 45,6 до 76,0 м.

Чтобы повысить водонепроницаемость старых бетонных гравитационных плотин, устраивают геомембраны на верховой грани. Например, в Италии геомембраны из поливинилхлорида толщиной 1,9...2,5 мм применили на плотинах Лаго Неро, Сииьяна и Пьяно Барбельино. Геомембраны выполнили без защитного слоя, поэтому предусмотрено тщательное наблюдение за их состоянием при эксплуатации.

Особенности проектирования и строительства гидротехнических сооружений в условиях жаркого климата/Н. П. Розанов, И. С. Румянцев, С. Н. Корюкин и др.; Под ред. Н. П. Розанова. - М.: Колос, 1993. - 303 с.

Экспертиза

на главную