Общие сведения

К материалам негрунтовых экранов плотин из местных материалов предъявляются следующие требования: водонепроницаемость, гибкость и механическая прочность, химическая стойкость, морозо- и теплостойкость, освоенность производством, удобообрабатываемость, неизменяемость свойств во времени и относительно невысокая стоимость. Этим требованиям удовлетворяют некоторые разновидности полимеров, главным образом мягкие и полужесткие пластики, сочетающие в себе высокую пластичность с механической прочностью.

Полимерные материалы нашли широкое применение в машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, авиационной и электротехнической промышленности и гражданском строительстве. В гидротехническом строительстве применение полимеров пока весьма ограниченно, что объясняется главным образом малой изученностью их работы в водонасыщенной среде в условиях больших напоров.

В США, Италии, Канаде, Чехословакии, СССР, ГДР и других странах успешно эксплуатируются плотины высотой от 23 до 61 м, в противофильтрационных конструкциях которых применены полимеры. Для некоторых плотин полимерные экраны применялись в опытных целях, для других - в реставрационных, однако в обоих случаях была установлена возможность и целесообразность устройства экранов указанного типа.

В СССР опыт применения полимеров в экранах и ядрах плотин невелик. Тем не менее исследовательские работы в полевых и лабораторных условиях ВНИИГ, проектные и исследовательские проработки Гидропроскта, а также внедрение полимерных пленок в оросительных каналах в Голодной степи, осуществленные ВНИИГиМ совместно с Голодностепстроем, являются началом обширных исследований, намеченных для практического применения полимеров в экранах плотин.

Полимерными материалами, или сокращенно полимерами, называются жесткие, полужесткие и мягкие пластики, представляющие собой массы на основе связующего из органических соединений (смолы), способные формоваться в определенных условиях температуры и давления.

Деление пластиков на жесткие, полужесткие и мягкие обусловлено значением их модуля упругости при температуре 20°С.

Значительно высокое относительное удлинение и низкое остаточное удлинение имеют мягкие пластики, что делает их упругими и поэтому пригодными для конструкций, подверженных большим деформациям. Морозостойкость мягких полимеров достаточно высокая, что дает возможность применять их и в северных районах; однако для некоторых из них относительное удлинение при разрыве и удельная ударная вязкость при морозе падают.

Водонепроницаемость пластиков, в том числе и мягких, весьма высокая; все они практически водонепроницаемы, так как водопоглощение за 24 ч составляет сотые доли процента.

К числу мягких пластиков относятся полиэтилен, мягкий поливинилхлорид, полипропилен и полиизобутилен. Общим недостатком этих полимеров можно считать их «старение», т. е. снижение прочности и пластичности под влиянием окислительно-деструктивных процессов, возникающих под действием ультрафиолетовых лучей солнца, высокой температуры среды и кислорода воздуха. Во избежание этого в состав пластиков вводятся стабилизаторы (антиоксидаиты), тормозящие процессы старения.

Опытами доказано, например, что добавлением газовой сажи в количестве 2—3% по массе можно резко повысить стойкость полиэтилена, полнизобутилена и пластифицированного поливинилхлорида против солнечной радиации.

Весьма существенным мероприятием против старений является также защита экрана от непосредственного солнечного облучения.

Если учесть, что экраны в эксплуатации в основном находятся под водой, которая обеспечивает им защиту от облучения, обогрева или промерзания, становится очевидным, что старение пластиков в экранах замедляется и срок их службы значительно удлиняется.

Результаты десятилетних опытов показали, что даже в климатических условиях Средней Азии полиэтиленовые пленки в подземных и подводных условиях вполне устойчивы против старения; хорошие результаты показали также полиэтиленовые пленки, использованные в противофильтрационных покрытиях днищ водоемов на высокогорных пастбищах Армении.

О продолжительности срока службы полиизобутилена свидетельствуют сохранившиеся с 1938 г. в сооружениях гидроизоляционные пленки, которые совершенно не изменили своих первоначальных свойств, т. е. не подверглись старению.

Мировая практика применения полимеров в подземных условиях, к сожалению, невелика, поэтому обобщения и выводы в отношении срока их службы могут быть весьма осторожными. По работам отечественных исследовательских институтов ВНИИГ, НИС Гидропроекта, ВНИИГиМ, а также по результатам наблюдений за поведением полимеров в сооружениях можно полагать, что стабилизированные мягкие полимеры в подземных и подводных условиях могут гарантированно служить не менее 50 лет.

Такое ограничение принято исходя из непродолжительности срока наблюдений; надо полагать, что после накопления достаточных данных этот срок будет увеличен.

Среди плотин с экранами из полимеров наибольшей по высоте является плотина Терцаги, построенная на р. Бридж в Канаде из каменной наброски высотой 61 м.

Плотина первоначально была возведена с грунтовым экраном, уложенным на слой сортированного балластного материала, служащего переходом к каменной наброске. В результате больших осадок основания, представленного рыхлыми образованиями, экран стал деформироваться и грунт в плотине постепенно начал вымываться. Для обеспечения водонепроницаемости плотины и предотвращения ее разрушения на поверхность грунтового экрана была уложена поливинилхлоридная пленка толщиной 0,76 мм. Пленочный экран был защищен сверху слоями глины, песка и камня суммарной толщиной до 2 м.

В верхней части плотины Мает высотой 23 м (Калифорния) была обнаружена интенсивная фильтрация, потребовавшая ремонта плотины на высоте 10—12 м. Для обеспечения водонепроницаемости плотины были применены следующие полимерные материалы: в нижней части пленка толщиной 0,8 мм из материала на основе винилиденхлорида, в средней части три слоя полиэтиленовой пленки толщиной по 0,15 мм, а последние 1,5 м были покрыты двумя слоями той же пленки [Л. 98]. Для устройства пленочного экрана была произведена экскавация грунта верхового откоса до указанной глубины с последующей его отсыпкой поверх уложенного экрана.

Кроме указанных реставрированных плотин имеются также примеры непосредственного применения полимерной пленки в качестве водонепроницаемого экрана.

В каменнонабросной плотине Контрада Сабетта высотой 25 м, построенной на р. Буссенто (Италия), экран осуществлен из оппанола. Листы оппанола толщиной 2 мм уложены по слою пористого бетона толщиной 10 см, который в свою очередь имеет подготовку из армобетонных плит размерами 7X7X0,25 м. Откос каменной наброски выложен сухой кладкой, поэтому достаточно крутой. Защита экрана произведена укладкой по нему бетонных плит размерами 2,0X2,0X0,20 м.

В опытной плотине Добчина, построенной в 1960 г. в Чехословакии экран осуществлен из поливинилхлоридной пленки толщиной 1,1 мм. Пленка уложена между двумя рядами железобетонных плит с двусторонней промазкой битумом. Нижние плиты, служащие подготовкой под пленочный экран, через несколько рядов крепятся в каменную наброску металлическими анкерами.

На строительстве Токтогульской ГЭС в 1964 г. на р. Кара-Су была возведена опытная земляная дамба-плотина высотой 5,5 м. На участке длиной примерно 260 м было уложено 3000 м² экрана, состоящего из стабилизированной сажей полиэтиленовой пленки толщиной 0,2, 0,4 и 0,6 мм. Пленка укладывалась на выравнивающий слой подэкрановой подготовки из пылеватого песка (30—40 см) и покрывалась защитным слоем в 20 см из такого же грунта. Поверх грунта устраивалась пригружающая насыпь из песчано-гравелистого грунта.

Полиэтиленовый экран выполнен также на перемычках Токтогульской и Усть-Хантайской плотины (1968—1970 гг.). На Атбашинской плотине высотой 75 м в верхней части на высоте 44 м противофильтрационный элемент выполнен в виде диафрагмы из полиэтиленовой пленки. Плотина галечниковая, построена в узком ущелье с крутыми бортами (70—82°); в нижней части плотины, на высоте около 35 м противофильтрационное устройство выполнено в виде глиноцементной инъекционной завесы, сопрягающейся с диафрагмой бетонной пробкой. Диафрагма устроена из стабилизированной полиэтиленовой пленки толщиной 0,6 мм с песчаными защитными контактными слоями. Пленка сопрягается со скальными бортами ущелья (известняки) посредством выравнивающей бетонной плиты, заанкеренной в скалу; она служит одновременно пригрузкой при производстве контактной цементации.

Р.А. Айрапетян, Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин, М., Энергия, 1975