Устройство экранов и диафрагм из негрунтовых материалов

В настоящее время высота плотин с экранами из железобетона ограничивается пока 146 м (Эксчекер), а из асфальтобетона — 78,5 м (Ириль-Эмда). На VIII Международном конгрессе по большим плотинам в 1964 г. в Эдинбурге высказывалось мнение, основанное на анализе поведения плотины Когсвилл за 28 лет ее эксплуатации, что плотины с железобетонными экранами при строгих требованиях к камню можно надежно строить высотой примерно до 150 м (даже в районе с расчетной сейсмичностью 8 баллов).

Железобетонные экраны осуществлены на ряде высоких плотин; они имеют разрезную конструкцию для обеспечения гибкости в работе. Разрезка вертикальными швами компенсирует температурные усилия, горизонтальными создает возможность поворота при возникновении осадочных деформаций. Ограничение разрезки железобетонного экрана только температурными швами предъявляет строгие требования к наброске в отношении ее осадки, поэтому такую конструкцию экрана не целесообразно применять. В высоких набросных плотинах наибольшее распространение нашли железобетонные экраны полужесткой и гибкой конструкции, т. е. имеющие разрезку в обоих направлениях.

Плиты таких экранов имеют в плане самые разнообразные размеры в зависимости от их конструкции, плотности укладки каменной наброски, климатических условий района, а также условий строительства и эксплуатации. Швы являются уязвимым местом в отношении фильтрации и производственного выполнения, поэтому следует стремиться к возможному сокращению их количества. На плотине Солт Спрингс железобетонный экран, например, состоит из плит размерами 18,3X18,3 м. Однако это привело к ухудшению работы экрана, который благодаря большим размерам плит был недостаточно гибок и дал трещины шириной до 25 мм, вызвавшие усиленную фильтрацию через экран (750 л/с). Такую же конструкцию имел экран плотины Дике при размерах плит 21,3X12,2 м.

Размеры плит, бетонируемых на месте, целесообразно принимать в пределах 10—20 м; уменьшение приводит к увеличению длины температурно-осадочных швов, поэтому не желательно.

Толщина плиты гибкого экрана и ее армирование назначается в соответствии с расчетом на действие волны и монтажных нагрузок, а также устойчивости плиты на откосе.

Плиты слоистого экрана в пределах ряда не связаны между собой, а, наоборот, уложены с зазорами 25—10 мм для свободы перемещений. Между рядами плит имеется анкерная связь, а также прокладка из четырехмиллиметрового слоя горячего асфальта, которая служит как гидроизоляцией, так и смазочным материалом, уменьшающим трение между плитами цри их взаимных перемещениях.

Водонепроницаемость экрана достигается медной пластинкой, укладываемой в швах между рядами плит. Водонепроницаемость плит обеспечивается соответствующим подбором состава бетона, а также асфальтовой прослойкой между рядами плит.

Описанная конструкция экрана, несмотря на сложность и кропотливость выполнения, является наиболее надежной из всех видов железобетонных экранов; тем не менее и она не во всех случаях работает хорошо. Осадка наброски в процессе эксплуатации часто дает значительные деформации (2—5%), превосходящие пределы упругости материала плит экрана и пределы гибкости конструкции швов. На плогине Солт Спрингс экран был покрыт многочисленными трещинами, послужившими причиной интенсивной фильтрации через него.

Осадка плотины Парадела была неравномерной и составила 2,75 м (2,5%), в результате чего нижние плиты экрана разрушились, а на многих плитах выше периметрального шва были обнаружены трещины до 6 мм ширины. Повреждение экрана привело к интенсивной фильтрации (свыше 1100 л/с) и потребовало опорожнения водохранилища для ремонта. На плотине Когсвилл экран оказался в лучшем состоянии, несмотря на большую величину осадок и сейсмичность района.

Железобетонные экраны обычно укладываются на выравнивающую наброску подэкрановую подготовку. Последняя осуществляется из тщательно подобранных постелистых камней, укладываемых насухо правильными рядами. В некоторых случаях наружная поверхность кладки разравнивается цементным раствором или бетоном. Толщина подэкрановои сухой кладки назначается в зависимости от ожидаемой осадки, а также от крутизны откоса; в нижней части она составляет примерно 5—8% высоты и не менее 1 м в верхней. Работы по устройству подэкрановои сухой кладки трудоемки и дороги; кроме того, кладка не обладает гибкостью и при осадках расстраивается. Наиболее гибка и проста в выполнении подготовка из балластного материала. Будучи уложенной на откос плотины, такая подготовка свободно следует за деформациями каменной наброски, являясь буфером для экрана плотины. Это обстоятельство важно для плотин, возводимых т сейсмических районах.

Однако такая подготовка из условий устойчивости требует уположения откоса наброски до углов 30—35°, соответствующих углу естественного откоса балластного материала. Подготовка может быть устроена из промытого пойменного аллювия, дробленого камня (щебня), гальки и др. Толщина балластной подготовки принимается в зависимости от крупности состава материала, крупности камня в наброске, а также высоты плотины. По опытным данным толщина подготовки принимается не менее 2 м.

Подэкрановая подготовка из балластного материала осуществлена под железобетонным экраном плотины Коготи высотой 75 м, построенной в сильно сейсмическом районе. Плотина через 5 лет после постройки подвергалась землетрясению в 8 баллов, однако экран получил лишь незначительное повреждение, что отчасти можно приписать податливости подэкранной подготовки. Балластная подготовка шире применяется в плотинах с асфальтобетонными экранами.

Асфальтобетонные экраны выполняются в виде монолитного покрытия из одного или нескольких слоев плотного гидротехнического асфальтобетона. Покрытие не требует устройства температурных или деформационных швов, кроме случаев их возведения в суровых климатических условиях. В местах сопряжения экрана с бетонными или другими сооружениями устройство швов обязательно.

Швы выполняются в виде щели шириной 5—10 см, заполненной литой асфальтовой мастикой или раствором, а в суровых климатических условиях битумно-стирольными или битумно-резиновыми герметиками (БС-М пли БР-М).

Толщина асфальтобетонных экранов определяется по расчету, в зависимости от физико-механических свойств асфальтобетона и температурных условий района, а также интенсивности волновых, ледовых и механических воздействий. Расчет ведется на теплоустойчивость (против оплывания), водоустойчивость, прочность и устойчивость при воздействии волн и сплошность при воздействии примерзшего ледяного поля. В обычных условиях толщина экрана колеблется от 10 до 30 см; минимальная толщина однослойного экрана принимается 4 см, экран укладывается по тщательно разравненному откосу плотины с устройством обратного фильтра из гравелистото или щебеночного грунта либо из пористого асфальтобетона; протравливание откоса ядохимикатами не обязательно. Поверхность асфальтобетонного экрана покрывается горячим битумом БНД 60—90 или асфальтовой мастикой из 30—35% битума и минерального порошка (в особых случаях поверхность мастики дополнительно обрабатывается светоотражающей краской).

Для экранов с откосами круче 1:4 при воздействии на них волн высотой более 3 м или толщине льда более 1 м и скорости понижения уровня воды, превышающей 50 см/сут, требуется устройство защитного покрытия из железобетонных плит (сборных или монолитных) толщиной 10—30 ом. Плиты укладываются по слою литого асфальтового раствора или мастики в 1—2 см, которым покрывается поверхность экрана для «самозалечивания» в случае образования в нем трещин; самозалечивание происходит вследствие затекания раствора (или мастика) в трещины асфальтобетона.

Во избежание сползания железобетонных плит по указанной смазке в основании покрытия предусматриваются упорные массивы; при откосах круче 1:1 требуется устройство арматурной связи между плитами с анкеровкой к массиву на требне.

Технология изготовления гидротехнического асфальтобетона практически не отличается от такой для дорожного асфальтобетона, поэтому гидротехнический асфальтобетон с содержании битума до 16% может быть приготовлен на обычных стационарных, полустационарных или передвижных заводах с использованием выпускаемых в СССР смесителей марок Д-138, Д-597, Д-325, Д-288 и др. Состав смеси должен быть подобран в лаборатории с учетом требования ВСН17-68. Готовая смесь транспортируется автосамосвалами (с обогревом кузова) и укладывается асфальтоукладчиками, передвигающимися по откосу на тросах от лебедок на гребне плотины (чаще на эстакадах). При откосах до 1:3 возможно применение дорожных асфальтоукладчиков, при более крутых — целесообразнее применять легкие ковшовые укладчики специальной конструкции, например типа Я-1, Я-2 и др.

Уплотнение смеси на откосе производится преимущественно вибрационными катками весом 1,4—6 тс. Число проходов катка зависит от веса катка, крутизны откоса и толщины слоя асфальтобетона; обычно уплотнение достигается при 4—6 проходах. Технические характеристики механизмов для укладки и уплотнения приведены в ВСН-17-68.

Металлические и деревянные экраны имеют ограниченное распространение, поэтому на вопросах их возведения и монтажа здесь не останавливаемся. Отметим, однако, что в условиях Крайнего Севера, когда из-за кратковременности теплого периода года возведение грунтовых экранов и ядер резко замедляет строительство, а также в условиях тропического климата, требующего сезонного ограничения в возведении насыпей из связных грунтов, устройство металлического экрана может оказаться рентабельным.

Диафрагмы в качестве водонепроницаемого элемента набросных плотин имеют ограниченное применение. Описание ранее осуществленных диафрагм, как правило, жестко заделанных в основание (Эйлдон, Уэд Кебир, Кончос и др.), здесь не приводятся ввиду сложности и малой надежности их конструкции.

Металлические диафрагмы клепаной конструкции, примененные на плотинах Лоуэр Отей и Ист-Кеньон, также несовершенной конструкции. Более совершенны по конструкции диафрагмы плотин Зозе и Дюн Вэлей (высотой 50 и 56 м, построенных в 1932—1933 гг.) благодаря свободному отиранию на основание и устройству горизонтального шва со свинцовой прокладкой, дающей возможность горизонтальных перемещений и поворотов.

Некоторый интерес представляют конструкции диафрагм с шарнирным опиранием. Плотина Харспрнгет (Швеция) высотой 50 м из-за недостатка грунта для возведения ядра, а также суровых климатических условий построена с центральным тонким грунтовым ядром, комбинированным с железобетонной диафрагмой, шарнирно опертой на основание; диафрагма в этом случае служит лишь дополнением к тонкому глиняному ядру, расположенному за ней. Роль диафрагмы в такой конструкции сводится в основном к уменьшению фильтрации в период консолидации грунта в ядре.

Находят применение диафрагмы из асфальтобетона. В каменнонабросной плотине Дюн Вэлей высотой 35 м, построенной в 1963 г. в ФРГ, осуществлена вертикальная диафрагма из асфальтобетона, опирающаяся на бетонный зуб. Гидроизоляция опорного шва достигается устройством мощного глиняного замка с верховой стороны диафрагмы (набивка пластичной глиной). Диафрагма имеет толщину 0,5 м в верхнем сечении и 0,7 м в опорном.

В настоящее время рассматриваются также возможности применения рациональных конструкций диафрагм из металла. Так, в одном из вариантов проекта каменно-набросной плотины, возведенной в северных условиях, высотой 122 м была предложена металлическая диафрагма толщиной по верху 10 мм и у основания 22 мм, нежестко сопрягаемая с бетонным зубом. Диафрагма рассчитана на восприятие горизонтальных смещений около 50 см. С низовой стороны для защиты от коррозии диафрагма покрыта асфальтовой штукатуркой.

Металлическая волнистая диафрагма толщиной 7,8 мм применена на плотине Бевер (Германия, 1938 г.) высотой 42 м; плотина Лоуэр Отей (США, 1897 г.) высотой 39,6 м также имела металлическую диафрагму (в результате затопления плотина была разрушена). Имеется пример устройства металлической диафрагмы в виде шпунтового ряда из шпунтин ШК-2 на плотине Серебрянская II (СССР) высотой 63 м; на Нижне-Свирской плотине высотой 20 м (1934 г.) диафрагма состояла из двух рядов металлических шпунтин толщиной по 5 мм и литого асфальта заполняющего промежуток между ними.

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