ВЫБОР ТИПА И КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИНЫ
Выбор типа и конструкции плотины является основным вопросом при проектировании, поскольку от правильного его решения зависит как стоимость сооружения, так и успешность его возведения и эксплуатации. Главным критерием при выборе типа и конструкции плотины является технико-экономическая целесообразность; последняя может быть достигнута за счет широкого использования дешевых местных грунтовых материалов (без использования привозных), применения индустриальных методов строительства и обеспечения бесперебойного ведения строительства в данных климатических условиях.
При наличии на месте грунтовых материалов, пригодных для устройства противофильтрационного элемента плотины, преимущественное предпочтение следует отдавать каменно-земляному типу плотины, как полностью удовлетворяющему вышеприведенным условиям. К каменнонабросному типу следует прибегать лишь при отсутствии грунтов для ядра или экрана либо при весьма тяжелых климатических условиях для их укладки и уплотнения.
Кроме того, каменнонабросной тип плотины, как правило, может быть выбран при наличии в основании скальных пород.
Выбор типа плотины — каменно-земляной или каменнонабросной, зависит от многих факторов и прежде всего от технико-экономического преимущества.
Для выбора каменно-земляпой плотины необходимо прежде всего выявить запасы каменных и грунтовых материалов, их баланс и соотношение стоимостей. Известно, что разработка каменных карьеров обходится дороже грунтовых; однако дальнее расположение грунтовых карьеров или необходимость переработки их материалов часто изменяют соотношение стоимостей в обратную сторону. Коренное изменение в стоимостные показатели вносит использование материалов из полезных выемок; очень часто это обстоятельство решает выбор вида плотины.
Кроме того, на выбор типа плотины большое влияние оказывают состав и физико-механические свойства каменного материала для призм и фильтрационные свойства грунта для противофильтрационного элемента, а также температурные и влажностные условия района строительства и сейсмичность.
При таком многообразии факторов выбор типа плотины, разумеется, следует осуществить путем подробного рассмотрения и технико-экономического сопоставления наиболее приемлемых вариантов.
Из практики плотипостроения следует, что из всех видов каменно-земляпых плотин самыми универсальными являются плотины с ядром или с центральной грунтовой призмой, позволяющие широко применять принцип зонального расположения камня и грунта в теле плотины. По такому принципу запроектировано большинство высоких и сверхвысоких плотин из местных материалов.
На плотине Фурнас благодаря зональному распределению материала в наброске 78% камня уложено из полезных выемок. В плотине Кугар можно различить четыре зоны укладки каменного материала разной крупности, прочности и степени уплотнения. В плотине Саммерсвил число зон укладки еще больше. Во внутренней зоне плотины Кокин Брод использованы выветрелые известняковые сланцы и выветрелый известняк, ранее отклоняемые как материалы для высоких плотин; зонирование осуществлено и в ядре плотины. В плотине Инфернильо каменная наброска состоит из зон с крупностью камня в 25 см, 45 см и глыб массой до 1 т. В плотине Хольес (81 м) для наброски использован камень из выемок туннеля, здания ГЭС, каналов и других сооружений, а в средней части профиля уложены песчано-гравелистые грунты. Такое решение привело к экономически выгодному типу плотины. В плотине Макио применены сильно развитые переходные зоны из песчано-гравийной смеси, так как смесь значительно дешевле камня. Принцип зональности и использования выходов из котлованов применен также в плотинах Раунд Батт, Тринити, Амбуклао, Картере, Мангла и др.
Использование камня из полезной выемки предусматривалось также в проекте Намахванской плотины высотой 161 м (этот вариант конкурировал с вариантом арочной плотины). Камень для наброски боковых призм должен был добываться из котлована открытого эксплуатационного водосброса, расположенного в непосредственной близости на правому берегу.
Следует отметить, что использование материала из полезных выемок и зональная укладка камня и грунтов в тело плотины вполне приемлемы и для плотины с грунтовым экраном. Примером такого использования является плотина Браунли, где 41% объема наброски получен из котлованов гидроэлектростанции, отводящего канала, водосбросных и водозаборных сооружений; благодаря зональной укладке камня разных размеров с возрастанием крупности от верхового откоса к низовому, был использован весь материал почти без отбросов. Зональная укладка камня была осуществлена и в плотине Нантахала, в низовую часть профиля которой сбрасывался крупный материалов верховую каменная мелочь, полученные из полезных выемок котлованов водосбросных сооружений.
Выбор вида плотины должен производиться не только по материалу боковых призм, но и по материалу противофильтрациониого устройства, при этом это должно решаться в тесной увязке с климатическими условиями района.
Известно, что укладка грунтовых материалов в ядро плотины требует соблюдения влажностпого и температурного режимов, обеспечивающих получение проектной плотности. Для поддержания оптимальной влажности нередко приходится прибегать к искусственной сушке или увлажнению, требующих дополнительных средств и времени; соблюдение же положительных температур для предохранения грунта от промерзания приводит к сезонности выполняемых работ либо к применению химических добавок, обогрева и других специальных мер. Тем не менее при выборе типа и конструкции плотины предпочтение следует отдавать плотинам с экраном или ядром из грунтовых материалов, а к экранам из негрунтовых материалов прибегать в основном лишь при отсутствии подходящих грунтов.
Тяжелые климатические условия — частые ливневые осадки и длительность морозного периода — осложняют укладку ядра или экрана, но не исключают возможность их устройства. В практике плотиностроения известно много случаев возведения плотин с грунтовым ядром или экраном в суровых климатических условиях, а также в условиях тропического климата с изобилием ливневых дождей.
Плотина Гешенеральп, например, возведена в высокогорной альпийской зоне. Из-за суровых зимних условий работы велись периодами, составившими 150—170 дней в году, что соответственно удлинило срок строительства (5 лет).
В условиях тропического климата построены высокие плотины Миборо, Акосомбо, Джатилухур, Амбуклао и Бинга. В суровых зимних условиях построены плотины Мессауре, Иркутская, Вилюйская, Серебрянская I, Усть-Хаптайская. Плотина Кении также построена в районе с низкой зимней температурой.
Из приведенного можно заключить, что строительство плотин с экраном или ядром из грунтовых материалов вполне возможно и при тяжелых климатических условиях, однако это должно быть экономически и технически обосновано, так как дополнительные мероприятия, необходимые для обеспечения бесперебойного ведения работ, могут удорожить и замедлить строительство настолько, что целесообразнее окажется отказаться от грунтового ядра или экрана либо вообще от плотины из местных грунтовых материалов.
Так, были отклонены, например, варианты плотин из грунтовых материалов для Ингурской, Бзыбской и На-махванской ГЭС (несмотря на их сравнительную экономичность), поскольку район строительства плотин отличается изобилием осадков (2100—1700 мм/год) и возведение ядра из суглинистых грунтов удлинило бы сроки строительства.
При составлении вариантов к выбору типа плотины чаще всего возникает вопрос — что предпочтительнее, грунтовый экран или грунтовое ядро?
Поскольку известны преимущества и недостатки обоих устройств, выбор типа между экраном и ядром из грунтового материала следует производить исходя из того, какие из преимуществ того или другого имеют доминирующее значение в данных конкретных условиях строительства. Например, плотина с грунтовым экраном дает возможность опережающего выполнения наброски против возведения экрана, что весьма важно при строительстве в районах с сезонным ограничением работ по укладке грунта. В частности, при неблагоприятных климатических условиях тип с экраном позволяет форсировать работы по устройству наброски независимо от возведения экрана. Устройство экрана вместо ядра также создает возможность выполнять наброску вне зависимости от работ по цементации основания, поскольку последняя устраивается под зубом экрана и может выполняться с некоторым отставанием. Это обстоятельство создает условия для отказа от цементационных галерей или штолен, обычно необходимых для ведения цементации под ядром плотины одновременно с ее возведением. (Следует отметить, однако, что для высоких плотин, особенно сверхвысоких, указанные галереи и штольни бывают необходимы не только в период строительства плотины, но также в период временной эксплуатации, поэтому часто они предусматриваются и под экранами.)
Кроме указанного, плотина с экраном имеет еще то преимущество, что при вводе станции в эксплуатацию до полного окончания плотины объем ее первой очереди получается меньше, чем при устройстве ядра, что сокращает срок сдачи первой очереди ГЭС.
Если нет к плотине вышеперечисленных специфических требований, которые лучше удовлетворяются при устройстве экрана, то плотина с ядром целесообразнее, так как она получается меньше по объему благодаря большей крутизне верхового откоса.
Кроме того, плотина с ядром значительно лучше сопрягается с береговыми склонами, особенно с крутыми, и с примыкающими бетонными сооружениями, что весьма важно с точки зрения осуществления мероприятий против контактной фильтрации. Иногда ядро плотины принимается слегка наклонным в сторону верхнего бьефа, что улучшает условия устойчивости низового откоса без заметного ухудшения таковых для верхового. Указанное наиболее актуально при наличии порового давления.
Каменнонабросные плотины, как указывалось ранее, бывают двух видов — с экраном и с диафрагмой. Выбор между экраном и диафрагмой должен быть обоснован технико-экономическим сопоставлением.
Экраны каменнонабросных плотин отличаются большим разнообразием материала, типа и конструкции.
При проектировании каменнонабросных плотин с бетонными и железобетонными экранами из-за относительно малой гибкости их конструкции требования к составу камня для наброски и к ее уплотнению должны быть повышенные по сравнению с требованиями к наброске в теле каменно-земляных плотин.
Опыт строительства высоких плотин с железобетонными экранами показывает, что для них наброска осуществлялась преимущественно из крупного карьерного камня с ограничением мелочи. Из крупного карьерного камня с заполнением пустот мелким камнем построены плотины Парадела, Уишон, Солт Спрингс, Когсвилл и др. В плотине Когсвилл была осуществлена, однако, некоторая зональность для лучшего использования материала карьера. По крупности камень делился на три категории, из которых наивысшая — массой 6,35 т — укладывалась в подэкрановую сухую кладку, средняя — 2,75 — 6,35 т~ в низовой откос и его упорный клин, наинизшая, состоящая из камней разной крупности от 0,45 до 2,75 т, — в основное тело плотины.
При эксплуатации в плотине Дике Ривер произошло расстройство швов железобетонного экрана вследствие больших осадок каменной наброски. Повреждения имелись также на экранах плотин Парадела, Солт Спрингс. По отдельным неудачным примерам не следует делать обобщений, но следует учесть, что экраны каменнона-бросных плотин весьма чувствительны к осадкам набросного тела.
Плотины с диафрагмой применялись сравнительно редко и для небольших напоров (до 50 м). Высоких плотин с диафрагмой не имеется, так как конструкции диафрагм сложны и не совершенны. Применялись диафрагмы либо из железобетона (Харспрангет, Уэд Кебир), либо из асфальтобетона (Дюн Вэлей и др.). Имеются примеры плотии с диафрагмой из волнистой стали (Бевер), а также из двухрядной шпунтовой стенки (Серебрянская II, Нижне-свирская). В Советском Союзе осуществлена плотина с полиэтиленовой диафрагмой (Атбашинская), представляющая большой интерес. Плотина сооружена без разработки котлована путем отсыпки гравелисто-галеч-ного грунта в тиховод, образованный перемычкой. На насыпи уложена бетонная массивная плита, выше которой устроена вертикальная трехслойная пленочная диафрагма из стабилизированного полиэтилена. Ниже плиты выполнена многорядная цементационная завеса, являющаяся противофильтрационной диафрагмой в насыпи аллювия.
Резюмируя все вышеизложенное относительно выбора типа каменно-земляных и каменнонабросных плотин, можно прийти к следующим выводам:
1. При наличии на месте грунтовых материалов, пригодных для устройства ядра или экрана, не следует прибегать к устройству экранов из искусственных материалов. При необходимости их устройства для высоких плотин применение экранов из того или другого материала должно быть тщательно обосновано как по условиям прочности применяемого материала и надежности устраиваемых швов, так и с учетом производственных затруднений по осуществлению мероприятий, обеспечивающих минимальную деформативность наброски и экрана. Согласно СНиП П-53-73 асфальтобетонные экраны допустимы в районах с умеренно-континентальным климатом (абсолютный минимум —45°С), поэтому их применение в этих условиях в некоторых случаях может оказаться целесообразнее железобетонных.
2. Выбор вида грунтового противофильтрационного элемента плотины — экрана, ядра, верховой и центральной грунтовой призмы — должен производиться исходя из баланса и качества имеющихся каменных и грунтовых материалов для их устройства и соотношения их стоимостей с учетом климатических и производственных условий.
При сопоставлении вариантов необходимо принимать во внимание следующее: плотина с ядром экономичнее плотины с экраном, особенно при грунтах с низкими сдвиговыми показателями. Целесообразнее ядро принимать с небольшим наклоном в сторону верхнего бьефа (1:0,2—0,5); слабонаклонное ядро придает низовому откосу большую устойчивость;
при сезонных ограничениях в производстве работ по плотине, требующих опережающего выполнения наброски против экрана, а также при вводе плотины в эксплуатацию по очередям наиболее целесообразной является плотина с грунтовым экраном, так как объем плотины первой очереди получается меньше.
Во всех тех случаях, когда на месте имеются дешевые грунтовые материалы для развития переходных зон, заменяющих собою часть дорогостоящей каменной наброски боковых призм, такая замена эффективна. В числе грунтовых материалов может быть использована также каменная мелочь из котлованов сооружений или из туннелей и отходы сортировочных установок.
3. Применение металла, а также леса в экранах плотин допустимо в случаях, показывающих технико-экономические преимущества такого решения и возможности ускорения строительства плотины. Расширение производства антикоррозионных сталей в последнее время позволит применять металлические экраны для высоких камеинонабросных плотин, что даст возможность ускорить строительство этих плотин, особенно в тяжелых климатических условиях, и уменьшит объем скальных работ по сопряжению противофильтрационных устройств с берегами.
Каменнонабросные плотины с экранами или диафрагмами из полимерных материалов постепенно внедряются и имеют большие перспективы развития.
Р.А. Айрапетян, Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин, М., Энергия, 1975
