ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В некоторых странах находят применение и каменные плотины (из каменной кладки на растворе), у которых отдельные элементы (маловодопроницаемый слой у верховой грани, поверхностная часть водосливного профиля и др.) могут выполнять и из бетона (рис. 3.5).
Различают плотины на скальном (полускальном) и нескальном основании (см. рис. 3.1 и 3.2).
Бетонные плотины обычно делают монолитными, редко - сборными. Они получили большое распространение и в странах с жарким климатом (табл. 3.1-3.4).
В основном бетонные плотины имеют высокую надежность в разнообразных условиях (в том числе при высокой сейсмичности) и существенные преимущества при пропуске больших расходов воды в строительный и эксплуатационный периоды (не требуются туннели большого сечения, если створ позволяет пропускать строительные расходы).
Примерами высокой надежности арочных плотин при перегрузках в экстремальных ситуациях служат итальянские плотины Вайонт (h = 266 м) и Карфино (h = 40 м). Первая уцелела (произошло лишь незначительное повреждение ее гребня у левого берега на длине Юм) при катастрофическом обвале в водохранилище около 250...300 млн ivP грунта, вызвавшем волну высотой над гребнем плотины около 70 м и в нижнем бьефе около 20 м. Вторая - осталась неповрежденной после сильного землетрясения, П?и котором разрушились все сооружения, находившиеся в окрестности [2, 3]. Очень сильные землетрясения благополучно перенесли и многие другие арочные плотины, например, Амбиеста, Бачис и Лумиеи в Италии, Пакойм в США и др.
Гидроузлы с бетонными плотинами в ряде случаев предпочтительнее гидроузлов с грунтовыми плотинами, так как при их устройстве не требуются большие карьеры, которые могут ухудшить окружающую среду. Кроме того, они красивее, особенно при арочных и контрфорсных плотинах (см. рис. 3.3-3.4).
Общая тенденция развития строительства бетонных плотин - снижение его стоимости и сроков при обеспечении, конечно, надлежащей надежности сооружения. При этом проектируют облегченные, менее материалоемкие (по сравнению с массивными гравитационными) конструкции (арочные, контрфорсные, ячеистые), возводимые эффективными индустриальными методами, используют высокопроиз-водительные усовершенствованные и новые технологии строительства простых по очертанию массивных гравитационных плотин, особенно из малоцементного укатанного бетона.
Малоцементный укатанный бетон получает все большее распространение при строительстве бетонных плотин на скальных основаниях во многих странах мира, в том числе и в странах с жарким климатом (см. табл. 3.1). Применение его дает существенный эффект: уменьшаются стоимость и сроки строительства (по данным США, примерно в 2 раза), трудозатраты, материальные затраты на приобретение цемента и его расход. Последнее особенно важно в условиях жаркого климата. При меньшем содержании цемента облегчается борьба с экзотермией, при которой образуются трещины в период строительства, сокращается продолжительность остывания бетонной кладки до требуемой температуры. Кроме того, во многих случаях отпадает потребность в охлаждении бетона (с помощью труб) и компонентов бетонной смеси. Поперечные швы вообще не устраивают или нарезают минимум при строительстве специальным резаком (что позволяет сократить расход опалубки).
Бетон, укладываемый в массивные гравитационные плотины, укатывают виброкатками. Такую технологию можно применять и при возведении нетонкостенных арочных, арочно-гравитационных и контр- форсных плотин. В этом случае может потребоваться несколько больший расход малоцементного бетона по сравнению с расходом традиционных гидротехнических бетонов, так как у последних выше прочностные характеристики. В результате этого изменится очертание плотины: она станет менее "стройной, то есть толще (увеличится коэффициент стройности р = b/h), более простой по очертанию (например, не двоякой кривизны, а цилиндрической.
В ЮАР в 1989 г. из укатанного бетона построена арочно-гравитационная плотина Кнеллпурт высотой 50 м и возводится тоже арочногравитационная плотина Валведанс высотой 70 м; в КНР - арочная плотина Ситоу (см. раздел 3.5).
Приводимые в литературе экономические характеристики плотины из укатанного бетона довольно разнообразны и зависят от ряда факторов (подробнее см. раздел 3.3). Так, в Японии стоимость сооружения из такого бетона по сравнению со стоимостью плотины из традиционных бетонов в среднем меньше на 10 %. Возведение плотины Заайхок в ЮАР (см. табл. 3.1) укаткой снизило ее стоимость примерно на 35 %, несмотря на замедление бетонных работ из-за недостаточного финансирования, что не позволило полностью использовать очень существенное достоинство укатанного бетона - ускорение возведения сооружения.
При проектировании плотины Монксвилл (США) высотой 46 м было рассмотрено несколько вариантов: массивная гравитационная плотина из укатанного бетона; каменно-земляная; каменно-набросная и гравитационная из обычного бетона. В результате приняли вариант плотины из укатанного бетона как наиболее экономичный в данных условиях. 80
При проектировании французской плотины Сер де лл Фар высотой 80 м в результате технико-экономического сравнения вариантов выбрали плотину из укатанного бетона, которая оказалась на 24 % дешевле каменно-земляной и на 12 % - гравитационной из обычного бетона.
Ввиду большой экономической эффективности применения укатанного бетона в ряде стран начали дополнительно рассматривать плотины из укатанного бетона в проектах, в которых ранее были приняты грунтовые плотины.
Выбор типа бетонной плотины зависит от местных условий и должен проводиться на основе технико-экономического сопоставления вариантов. Как облегченные, так и массивные конструкции должны возводиться передовыми эффективными методами, определяющимися типом конструкции, размерами и условиями пропуска паводков, топографией местности и многими другими факторами. Если, например, для крупной бетонной гравитационной, арочной или контрфорсной плотины прогрессивными могут быть широкая механизация работ с использованием конвейеров для транспорта бетона [59], его укатка виброкатками в подходящих условиях и прочее, то для относительно небольшой и довольно тонкой арочной плотины - так называемое поярусное бетонирование с интенсивным трубным охлаждением бетона, весьма успешно примененное при строительстве Миатлинской плотины (см. табл. 3.3, раздел 3.5).
В ряде случаев, чтобы получить существенный экономический эффект, изготавливают и используют при строительстве особенно крупных гидроузлов новые уникальные средства механизации, как это было, например, при возведении высокой массивно-контрфорсной плотины Итайпу (см. табл. 3.2, раздел 3.4). Гидроузел Итайпу с гидростанцией очень большой мощности (12,6 млн кВт) на многоводной реке Паране построили в рекордно короткие сроки (~ 8 лет). Причем около 12 млн мз бетона уложили за 5 лет (максимальный укладываемый за год объем бетона достигал 3,1 млн м'3). Это было обеспечено применением специально разработанной технологии производства работ с использованием высокопроизводительных новых механизмов, наиболее подходящих для данных условий: кабель-кранов облегченной конструкции грузоподъемностью по 20 т, с башнями высотой около 100 м и очень большими пролетами 1365 м; башенных кранов новой конструкции (вылет стрелы 62 м) в сочетании с подачей бетонной смеси по монорельсовой системе (использовали и конвейеры).
При выборе типа и конструкции бетонной плотины надо учитывать, что по сравнению с массивными гравитационными плотинами (см. рис. 3.1, а) облегченные конструкции сложнее выполнять. При их возведении могут требоваться менее производительные механизмы и более высокие классы бетона. Все это может привести к неэкономичности облегченных конструкций, особенно когда расход бетона и стоимость уменьшаются незначительно.
При строительстве, например, облегченных плотин с расширенными швами и продольной полостью (см. рис. 3.1, б и в) экономится всего
Плотины с экраном на напорной грани и коротким понуром (рис. 3.1, г) дают не очень большую экономию бетона - порядка 15 %. Экран позволяет допускать растягивающие напряжения на верховой грани (поэтому профиль получается более обжатым) и образование трещин у ее подошвы, снять требование о водонепроницаемости бетона у верховой грани. Противофильтрационнал завеса, удаленная от зоны растягивающих напряжений в основании верховой части плотины и размещенная в начале короткого водонепроницаемого понура, предотвращает чрезмерную фильтрацию через трещины в контактном шве и разуплотненном в этой зоне основании. Устройство понура с завесой целесообразно для различных типов бетонных плотин при наличии растяжения в контактном шве у верховой грани. Например, такая конструкция была осуществлена на арочной плотине Кёльнбрейн высотой 200 м (Австрия, рис. 3.6) при ее вторичном ремонте в 1981-1984 гг. Однако это не предотвратило образование новых трещин при повторном заполнении водохранилища в 1984 г., причем фильтрационный расход достиг 10ОО л/с. После этого уровень воды в водохранилище снизили до отметки 1880...1885 м и разработали проект усиления плотины с устройством со стороны низовой грани упорного блока высотой 80 м, воспринимающего более 20 % общей гидростатической нагрузки на плотину и значительно уменьшающего усилил в ее центральных консолях. Этот блок не должен защемлять арку, чтобы не появлялись новые трещины на уровне новой заделки. Поэтому между плотиной и упорным блоком предусмотрели шов с установкой в нем 600 упругих прокладок из неопрена, обеспечивающих раскрытие шва при сработке водохранилища и его постепенное закрытие при наполнении.
Применение плотин с экраном при наличии растяжения на верховой грани сдерживают весьма высокие требования к качеству его устройства (из нержавеющей стали или высококачественных полимерных материалов), которые бывает трудно выполнить, а также необходимость глубокой сработки водохранилища для проведения ремонтных работ в случае нарушения целостности экрана.
Заанкеренные плотины (см. рис. 3.1, б) высотой до 20...30 м могут дать большую (50 %) экономию бетона (плотина Олт-на-Лейдридж, h = = 22,2 м). Их устраивают как гравитационными (рис. 3.7, а), так и контр- форсными [3] высотой обычно 55...60 м на хороших скальных основаниях, позволяющих осуществить надежную анкеровку. При больших высотах трудно создать анкерами требующийся эффект - устойчивость плотины облегченного профиля, отсутствие растяжения у верховой грани (рис. 3.7, г). Анкеровку используют и при надстройке плотин [3]. Большого распространения такие плотины не получили в основном из-за некоторой сложности выполнения, затруднений размещения различных водопропускных отверстий, достаточно высоких требований к основанию и к качеству анкеровки.
Контрфорсные плотины по сравнению с массивной гравитационной дают существенную экономию в объеме бетона: массивно-контрфорс- ные 25...40 %, плотины с плоскими напорными перекрытиями 25...45 %, многоарочные 30...60 % и более. Ее размер зависит от ряда факторов, причем она обычно меньше при строительстве на многоводной реке с пропуском строительных расходов через отверстия в недостроенной плотине. В этом случае незначительно уменьшается и стоимость сооружения.
Из различных типов контрфорсных плотин наибольшее распространение получили, особенно за последние 35...45 лет, массивно-контр- форсные плотины с достаточно толстымэлементами и малым объемом арматуры, что дает возможность строить их современными индустриальными методами.
Для упомянутой ранее самой высокой массивно-контрфорсной плотины Итайпу (см. табл. 3.2 и раздел 3.4) экономия в бетоне получилась 25 %, стоимость при этом снизилась на 12,5 %.
Многоарочные плотины используют редко из-за относительной сложности возведения (сложная опалубка и пр.). Они имеют большой объем арматуры. Однако эти плотины дают возможность значительно уменьшить расход бетона и в ряде случаев экономичны. Они могут иметь большие расстояния между контрфорсами (см. табл. 3.2), что позволяет располагать между ними здания ГЭС, уменьшая таким образом объем скальной выемки; хорошо переносят сейсмические воздействия, могут быть построены из сборных элементов, когда это целесообразно по местным условиям (плотина Меффруш в Алжире, h = 25 м).
Плотины с плоскими напорными перекрытиями строят очень редко. Это объясняется тонкостенностью их конструкций, которые не всегда приемлемы по условиям современного производства работ. Тонко- стенность элементов иногда может быть нежелательной и из условия долговечности.
К достоинству контрфорсных плотин относится и то, что они позволяют получить большие (по модулю) вертикальные сжимающие напряжения Оу в основании у напорной грани (рис. 3.7, б, в) и этим исключить раскрытие контактного шва в основании в зоне цементационной завесы. Для плотин на относительно низкомодульных основаниях при необходимости можно получить достаточно равномерную эпюру напряжений в основании. Это можно достигнуть сооружением более пологой низовой грани в нижней части контрфорса (прилив А на рис. 3.7, в), а при необходимости дополнительного уменьшения напряжений и устройством фундаментной плиты по всей ширине основания или на его части (плотины Андижанская, см. рис. 3.4,а, и Бен Метир [3,24]).
В теле контрфорсных плотин равномернее распределяются напряжения и лучше используется прочность бетона; несколько облегчается борьба с экзотермией бетона и образованием температурных трещин в строительный период, так как по сравнению с массивными гравитационными эти конструкции более тонкостенные.
Более экономичными получаются контрфорсные плотины с активными швами и плоскими домкратами (рис. 3.7, б). В этом случае вовлекается в работу основание, что позволяет уменьшить объем бетона при благоприятном распределении напряжений в основании. Активные швы с плоскими домкратами просты и оправдали себя на практике (плотины Бени Бадель, Менжиль [3]), однако они несколько осложняют возведение сооружения (особенно на многоводных реках) и применяются редко, хотя и заслуживают большего внимания.
Широко используют на практике наиболее простые по выполнению массивные гравитационные плотины. Их существенный недостаток заключается в том, что сжимающие напряжения у верховой грани в контактном шве малы по модулю (см. рис. 3.8, а). При соответствующей неоднородности основания, влиянии поэтапности строительства плотины и наполнении водохранилища и других факторах они могут стать растягивающими [13].
Арочные плотины получили значительное распространение в горных районах во многих странах мира и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Они обычно экономичны и хорошо вписываются в окружающий ландшафт, красивы, надежно работают в условиях высокой сейсмичности и при перегрузках. Выход из работы отдельных зон плотины при перегрузках с образованием трещин не приводит сразу к разрушению сооружения, а вызывает перераспределение напряжений с возникновением достаточно прочных вторичных систем арок и консолей [13].
В последнее время в основном строят арочные плотины купольного типа (двоякой кривизны, см., например, рис. 3.3), то есть со значительно искривленными вертикальными сечениями (так называемыми консолями). В таких плотинах обычно удается получить наиболее благоприятное распределение напряжений, что позволяет уменьшить объем бетона.
Арочно-гравитационные плотины применяют преимущественно при больших напорах, особенно в относительно широких створах, при расположении в теле плотины водопропускных отверстий - водосбросов, трубопроводов гидростанции (плотины Саяно-Шушенская, Глен Каньон, Лонъянся и др.).
В благоприятных геологических и топографических условиях при относительно узких створах объем бетона арочных плотин сокращается на 50...80 % и более по сравнению с объемом бетона массивной гравитационной плотины в аналогичных условиях. Для арочно-гравитационных плотин это сокращение значительно меньше (порядка 20...30 %). Различие в стоимости арочных (арочно-гравитационных и других облегченных) и гравитационных плотин из-за усложнения технологии возведения облегченных конструкций оказывается меньшим - оно составляет 5...12 %, а иногда несколько больше.
При проектировании и строительстве гидроузлов с бетонными плотинами на скальных основаниях необходимо решать вопрос о расположении водосбросных сооружений, которые могут быть как в теле плотины, так и на берегу. Практика показала, что чаще водосбросные отверстия рациональнее устраивать в теле плотины. Их делают поверхностными (водосливными) или глубинными (см. рис. 3.3; 3.4, а). Последние, в том числе в сочетании с водосливными отверстиями, находят большее применение благодаря их достоинствам (пропускают расходы воды и в период строительства, служат для сработки водохранилища, эффективно используются для срезки пика паводка, обеспечивают большой отброс свободно падающей струи, компактность и др.). Однако любые отверстия (водосбросные, водопропускные, водоприемные для ГЭС) усложняют процесс бетонирования, в том числе и укатку бетона. Все плотины из укатанного бетона имеют водосбросные отверстия в ее теле.
На нескальных и полускальных основаниях выполняют как гравитационные массивные (см. рис. 3.2, а), так и различные облегченные бетонные плотины - гравитационные с полостями, не засыпанными грунтом (рис. 3.8), и различные ячеистые, гравитационного и контр- форсного типов. При их проектировании необходимо учитывать вид и качество основания сооружения, характер возможных фильтрационных деформаций грунтов, предусматривать меры по их предотвращению, выбирать рациональные виды подземного контура (см. рис. 3.10). Длина водонепроницаемой части подземного контура может быть относительно небольшой при значительном дренировании основания, особенно на связных грунтах, допускающих довольно большие выходные градиенты фильтрационного потока. При этом уменьшается масса сооружения и соответственно объем бетона. Развитую водонепроницаемую часть подземного контура устраивают на несвязных, особенно сильно фильтрующих и суффозионных грунтах, с эффективными вертикальными противофильтрационными элементами (шпунтами, зубьями, инъекционными завесами). В ряде случаев, особенно при глинистых грунтах с малыми коэффициентами трения, применяют плотины с анкерными понурами [13]. Подробно проектирование и строительство бетонных плотин на нескальных основаниях изложено в работе [1]. Ячеистые плотины, полости которых загружены грунтом (рис. 3.9), по сравнению с массивными гравитационными (см. рис. 3,2, а) позволяют сэкономить до 20...45 % бетона. Однако они имеют и недостаток - более сложный производственный процесс, так как, кроме потока бетона, еще требуется поток грунта.
В качестве примера ячеистых конструкций можно привести головной вододелитель канала Тартар-Тигр (см. рис. 3.11), возведенный в Ираке по проекту Союзгипроводхоза.
Бетонные и железобетонные плотины, как правило, строят монолитными. Лишь в единичных случаях и при сравнительно небольших высотах их выполняли полностью из сборных элементов (многоарочнал плотина Меффруш в Алжире высотой 25 м [3] и др.). Это объясняется в основном тем, что такие плотины не относятся к массовым типовым сооружениям. Однако не исключено, что небольшие сборные плотины (контрфорсные многоарочные и с плоскими плитами, ячеистые) в ряде случаев могут оказаться более рациональными. Сказанное можно отнести и к сборно-монолитным плотинам, построенным при небольших напорах (5...7 м). Они состоят из блоков в виде спаренных железобетонных плит, омоноличиваемых бетоном. Эти и другие ячеистые конструкции достаточно освещены в литературе [6,13].
