КОНТРФОРСНЫЕ ПЛОТИНЫ
Из массивно-контрфорсных плотин прежде всего рассмотрим самую большую по высоте и объему бетона недавно построенную на реке Парана (см. табл. 3.2) плотину Итайпу (рис. 3.21). Она имеет сдвоенные контфорсы, расстояние между осями которых значительно больше, чем рекомендуемых (22...26 м). Толщина стенок контрфорсов 6 м, что позволяет вести механизированную укладку бетона. Швы между секциями, как обычно, не омоноличены, в них (в оголовках) устроено три ряда шпонок из ПВХ. Между двумя первыми шпонками расположено дренажное отверстие. Оголовки - полигональные.
Температурно-усадочные швы в контрфорсах - прямолинейные с наклоном к нижнему бьефу. Они близки по очертаниям к траекториям главных нормальных напряжений. Некоторое их отличие объясняется упрощением производства работ.
Породы основания (базальт, песчаники, брекчии) характеризуются значительным разбросом прочностных характеристик; имеются неоднородности, включения прослоек слабых грунтов, в том числе глинистых отложений. На участках слабых пород устроены противосдвиговые бетонные зубья-шпонки (туннели), которые после цементации заполняли бетоном (см. рис. 3.23), выполнены контактная 2, укрепительная 3 и глубокая трехрядная противофильтрационная 1 цементация, а также развитая система дренажей, в том числе дренажных туннелей. Вода из дрен отводится двумя туннелями в специальную галерею с четырьмя насосными станциями откачки.
Конструкция секций право- и левобережного примыкания предусматривает наличие глубокого (45 м) котлована под здание ГЭС, расположенного непосредственно за плотиной (рис. 3.22).
При расчете устойчивости наиболее высоких русловых секций плотины учтен отпор со стороны здания ГЭС (см. рис. 3.21).
Кроме детальных расчетов методом конечных элементов прочности и устойчивости плотины и ее основания при проектировании, в 1970 г. в Бергамо (Италия) провели лабораторные исследования пространственной геомеханической модели (масштаб 1:130) русловой части плотины совместно с ее основанием. Модель доводили до разрушения при постепенном увеличении гидростатической нагрузки сверх расчетной. Значения коэффициентов устойчивости плотины на сдвиг, полученные на модели, были больше, чем расчетные. Исследовали и более простые физические модели плотины в масштабах 1:90; 1:75 и 1:300 с целью изучения совместной работы плотины с основанием. В результате установили, что при особом сочетании нагрузок сжимающие напряжения в контрфорсах (низовой оголовок) не превышают 6 МПа, а растягивающие (верховой оголовок) близки к нулю.
Технико-экономическое сравнение массивно-контрфорсной и массивной гравитационной плотин показало преимущество первой по объему работ при достаточно больших высотах. При этом учитывались объемы бетона и стоимости, сроки строительства (для массивно-контрфорсной плотины меньше на 6 мес) и др. При строительстве массивно- контрфорсной плотины заполнители охлаждались путем их замочки и продувки воздухом при температуре минус 17°С. Для замешивания смеси использовали воду с температурой 5 °С. Бетонная смесь на выходе имела температуру 7 °С. На строительстве было две холодильные установки.
Для получения расчетного класса бетона (В-18) приняли следующий состав бетона (кг/м3): щебень размером 152...76, 76...38 и З8...19мм соответственно 643, 465 и 729, песок - 559, цемент - 113, зола-уноса -16.
Вторая по объему массивно-контфорсная плотина - Андижанская (см. табл. 3.2 и рис. 3.4, а). Она построена на хлоритовых и серицитовых сланцах с зонами довольно значительных тектонических нарушений. Чтобы выравнять эпюры напряжений, сделали нижнюю часть низовой грани с более пологим уклоном, чем среднюю (где т = 0,5), и фундаментную плиту у низовой грани. Так как этот район характеризуется высокой сейсмичностью (9 баллов), в средней части сдвоенных контрфорсов устроена диафрагма, улучшающая работу плотины при боковом сейсмическом воздействии, и попарно объединены секции. Штраблен- ный шов последних допускает температурные деформации, но резко ограничивает относительные перемещения вдоль него.
Если на слабом основании надо получить достаточно равномерное распределение напряжений по подошве плотины, уменьшающее осадки и их неравномерность, то приходится увеличивать нижний участок контрфорса с относительно пологой низовой гранью и устраивать сплошную фундаментную плиту, а при невысоких сдвиговых характеристиках грунта основания - придавать подошве наклон в сторону верхнего бьефа (чтобы получить достаточную устойчивость плотины при меньшем ее объеме). Примером такого инженерного решения служит массивно-контрфорсная плотина Бен-Метир (h = 71 м, / = 14 м), построенная в Тунисе [3] на глинах твердой консистенции, близких к глинистым мергелям. Для нее приняли следующие сдвиговые характеристики: tg <р = 0,465 и С= 0,03 МПа. Эпюра напряжений в основании оу была весьма равномерной - от 0,8 до 0,85 МПа; осадки не превышали 5...6 см. Последовательность возведения кладки обеспечила равномерные осадки сооружения в строительный период.
Массивно-контрфорсная плотина Эль-Массира в Марокко (см. табл. 3.2) имеет одиночные сплошные контрфорсы толщиной 6...8 м с оголовками полигонального очертания (рис. 3.23). В основании ее залегают кварциты. Так как здесь жаркий климат, поэтому на верховой грани устроена теплоизоляция (рис. 3,23, б), уменьшающая трещинооб- разование (а, следовательно, и водопроницаемость оголовков).
За противофильтрационной завесой между контрфорсами и верховым зубом сделаны дренажные скважины.
При производстве бетонных работ использовали пятитонные автосамосвалы и пять башенных кранов. Среднемесячная интенсивность укладки бетона составляла 13 тыс. м3, максимальная - 21 тыс. м3. Из-за 108 высокой летней температуры (в тени достигала 50 °С), отсутствия низкотермичного цемента и частого использования цемента, поступающего с завода с температурой выше 70 °С, принимали ряд мер по снижению температуры бетонной смеси. Работы проводили в ночное время, склады заполнителей и бетонный завод укрывали от прямых солнечных лучей, силосы цемента окрашивали в белый цвет и т. д. Кроме того, крупные заполнители обрызгивали холодной водой в процессе их перемещения ленточным конвейером в охлаждающей галерее длиной 90 м; при затворении смеси применяли холодную воду с температурой 5 °С (имелась холодильная установка). На второй стадии строительства охлаждали и цемент. По техническим условиям требовалось, чтобы температура бетонной смеси при выпуске ее с бетонного завода не превышала 15°С, но она часто была больше примерно на 3 °С. Однако температура уложенного в плотину бетона не превышала 42 °С. Для этого по возможности снижали расход цемента на 1 м3 бетона (не превышал 180 кг/м3 для всех зон кроме двухметровой наружной зоны оголовков, где он доходил до 230 кг/м3). Уложенный бетон выдерживали в течение 14 сут и обрызгивали неохлажденной речной водой. Все это позволило избежать трещинообразования.
В состав гидроузла Манантали на реке Бафинг в Мали (см. табл. 3.2) входят грунтовая плотина высотой 65 м и длиной 1023 м, массивно- контрфорсная плотина с минимальной высотой 60 м и длиной 471 м, в которой расположены водоприемники ГЭС (строительство ее отнесено на последующую стадию), донный водоспуск (семь отверстий 3,8 х х 5,2 м), паводковый водосброс (восемь отверстий 9 х 6 м) и двухниточный ирригационный водовыпуск. Расходы воды в реке: максимальный обеспеченностью 2% - 4750 м3/с, строительный - 1400 м3/с; в сухой период расход падает до 2 м3/с.
Массивно-контрфорсная плотина расположена в средней части створа и имеет 32 одиночных контрфорса. Деформационные швы между ними уплотнены водонепроницаемыми лентами. Объемы блоков бетонирования высотой 2 м изменялись от 5 до 900 м3. Интенсивность укладки бетона составляла: средняя 24 тыс., а максимальная 33 тыс. м3/мес.
По техническим условиям температура бетона через 2 ч после укладки должна была не превышать 20 °С. В этом случае бетонная смесь при выходе из завода могла иметь температуру не более 18°С (при температуре наружного воздуха в тени 46 °С). Для соблюдения этих условий заполнители поливали в силосах водой, охлажденной на холодильной установке.
Некоторый интерес представляет проект массивно-контрфорсной плотины Мтера в Танзании (рис. 3.24, см. табл. 3.2). Ее створ расположен в относительно узком ущелье, основание - гнейсы. Длина по гребню 120 м.
Водосбросная секция из четырех пролетов рассчитана на макси-мальный расход 5000 м3/с. Плотина имеет тавровые горизонтальные сечения и плоскую верховую грань. Такую конструкцию применяют редко. В связи с тем что район строительства сейсмичный (коэффициент сейсмичности 0,02д, но в расчете принимался 0,1 д), запроектированы антисейсмические сквозные распорки на случай бокового сейсмического воздействия; они заведены в берега ущелья. Прочностные расчеты плотины показали, что суммарные напряжения в ней небольшие (максимальное растяжение 0,39 МПа, максимальное сжатие 1,34 МПа, максимальное напряжение в распорках 8,0 МПа).
Обоснование выбора в данных условиях контрфорсной плотины - необходимость уменьшения объемов бетона в сооружении ввиду значительной дальности транспортировки заполнителей (карьеры расположены на расстоянии около 20 км от створа).
Заслуживает внимания построенная в ЮАР относительно толстостенная массивно-контрфорсная плотина Реностеркоп со своеобразными перекрытиями (рис. 3.25, см. табл. 3.2). Она входит в состав гидроузла Реностеркоп, который включает в себя еще правобережную невысокую бетонную плотину ("шпору), блок водовыпусков (для пропуска воды при сработке водохранилища и для промыва). Главная плотина- водосливная без затворов, длина по гребню 105 м. В будущем предполагается установить на ее гребне четырехметровые сегментные затворы. Водослив рассчитан на пропуск расхода воды повторяемостью 1 раз в 200 лет порядка 1750 м3/с. При форсированном уровне в водохранили ще пропускная способность повышается до 4975 м3/с.
Основанием плотины служит прочный фильзит, маловыветрелый, что обусловило неглубокий съем скалы (до 1,5...2,0м). Построена плотина на высоте около 1000 м. Толщина контрфорсов 5 м; минимальная толщина напорной части также 5 м. Конструкция плотины такова, что контрфорсы работают не независимо, а в сочетании с другими. Расчеты методом конечных элементов на температурные воздействия показали целесообразность устройства шва между контрфорсами и оголовками.
Напряжения в плотине невелики - растяжение у напорной грани у подошвы около 0,6 МПа при НПУ и около 0,8 МПа при ФПУ; суммарные напряжения у низовой грани составляют 1,6 МПа.
В основании плотины имеются цементационная завеса и дренаж. Динамическое воздействие на плиту и скалу нижнего бьефа на низовой грани водослива уменьшают расщепители и уступы. Такие устройства с успехом были применены на ряде плотин, построенных в ЮАР (гравитационной Ласкоп, арочно-гравитационной Бладериверспурт). Однако струя, хотя и сильно раздробленная и аэрированная, все-таки будет воздействовать на дно и в пределах контрфорсов, поэтому целесообразно устраивать дополнительное крепление нижнего бьефа.
Описываемая плотина дешевле, чем гравитационная и каменно-насыпная (вблизи створа нет грунтов для противофильтрационных элементов) плотины. При такой конструкции легче предотвращать возникновение температурно-усадочных трещин и сохранять окружающую среду.
Относительно старые многоарочные плотины достаточно подробно описаны в работах [3, 13] и др. Их успешно применяют и в условиях жаркого климата, например алжирские плотины Эрраген (см. рис. 3.4, б), Бени-Бадель и Меффруш, плотина Небер в Тунисе, Джулиус в Австралии [13] и др.
К достоинству этих плотин можно отнести большое расстояние между контрфорсами, что уменьшает объем скальной выемки, позволяет между контрфорсами располагать здание ГЭС и др. В них применяют напряженные тяжи и сборные элементы (Меффруш), активные швы с плоскими домкратами (Бени-Бадель и Эрраген), которые дают значительный экономический эффект. Например, устройство активных швов и напряженного армирования у плотины Эрраген (h = 80 м, см. рис. 3.4, б) позволило сэкономить 43 % бетона и уменьшить на 30 % стоимость.
Жесткое соединение арки с контрфорсом приводит в ряде случаев к образованию трещин и требует ремонта (плотина Эрраген; трещины заделывали полимерными составами и пр.). Предпочтительнее арки, опирающиеся (со швом) в пятах на контрфорсы или имеющие шарниры (плотина Джулиус).
