Строительство плотин из укатанного бетона. Перспективы и

В.Б.Судаков
Строительство плотин из укатанного бетона.
Перспективы и задачи.
1. Переход к технологии возведения массивных бетонных плотин однослойными блоками
– поворотный момент в мировом плотиностроении.
2. Преимущества строительства плотин однослойными блоками с применением малоподвижных бетонных смесей и «укатанного» бетона:
• Подтвержденная на практике высокая надежность и безопасность таких плотин;
• Высокая, недостижимая ранее интенсивность бетонных работ;
• Резкое сокращение сроков строительства гидроузлов – в 1,5-2,0 раза;
• Очень низкие трудозатраты благодаря полной механизации всех технологических операций и использованию высокопроизводительной техники;
• Резкое сокращение объемов жилого поселка и производственной базы;
• Упрощение и удешевление мероприятий, необходимых для пропуска паводковых
вод в строительный период;
• Снижение стоимости гидроузлов на 20-50 % в зависимости от условий их строительства;
3. Особенности конструктивно-технологических решений для плотин из «укатанного»
бетона:
• Разрезка плотин на секции-массивы и укладка бетона блоками очень большой
площади;
• Сокращение объемов опалубочных работ и времени на подготовку блоков бетонирования на 50-80 %;
• Широкое применение температурных швов-надрезов и особенности зонального
распределения бетона;
• Ступенчатая форма низовых граней плотин – ее особенности и технологические
преимущества;
• Возможность применения ступенчатых водосбросов, на которых при сбросе паводковых вод не возникает кавитация;
• Использование малоцементных жестких бетонных смесей;
• Простые, надежные и устойчивые технологические цепи бетонирования;
• Ритмичность бетонирования и полноценное использование производительности
современного бетоноукладочного оборудования;
• Простые и эффективные способы регулирования температурного режима бетонной кладки и напряженного состояния бетонных плотин.
4. Отечественный опыт и актуальные задачи для условий нашей страны:
• Опыт создания сооружений из «укатанного» бетона с участием специалистовгидротехников нашей страны;
• Разработка конструкций высокотехнологичных бетонных плотин;
• Разработка методов возведения плотин из «укатанного» бетона в зимнее время.
1. Переход к технологии однослойного (послойного) бетонирования
1
Во второй половине ХХ века был совершен переход к новой технологии возведения бетонных плотин однослойными блоками (к «послойному» бетонированию), кардинально изменивший методы и сроки строительства гидроузлов. Вскоре после этого, начиная с 70-х годов,
эта технология стала использоваться в сочетании не с малопластичными, а, как правило, с жесткими бетонными смесями, уплотняемыми катками («укатанными» бетонами), что позволило
еще больше повысить интенсивность бетонных работ и выполнять их, применяя еще более
высокопроизводительные механизмы [1,2].
Явным свидетельством высокой экономической и технической эффективности этой технологии возведения плотин является бурный рост числа плотин, построенных с ее применением в разных странах после её создания: к 1980 г. -10, к 2000 г. – 200, к 2010 г. – более 400 [3].
При этом, высокая надежность и безопасность бетонных плотин, возведенных однослойными
блоками убедительно доказана тем, что ряд таких плотин перенес 8-9 бальные землетрясения
без каких-либо повреждений: Суусамырское (1992 г.) - плотина Токтогульской ГЭС высотой
215 м и плотина К урпсайской ГЭС высотой 113 м, Спитакское (1988 г.) – плотина Ахурянской
ГЭС высотой 57 м, Сычуаньское (2009 г.) – плотина Шапай высотой 132 м и др. [4-7].
Отметим, что в 1965-1985 г.г. наша страна была одним из лидеров мирового плотиностроения бетонных плотин с применением технологии однослойного бетонирования как с использованием малопластичных бетонных смесей, так и «укатанных» бетонов – рис.1.
Рис. 1. Бетонирование одной из первых крупных плотин из укатанного бетона
(Киргизия, 1985 г., Ташкумырская плотина высотой 75 м).
2
2. Особенности и Преимущества строительства бетонных плотин из «укатанного» бетона.
Одним из главных преимуществ возведения бетонных плотин однослойными блоками
как с применением малопластичных бетонных смесей, так и, в особенности, «укатанного» бетона является недостижимая ранее интенсивность бетонных работ, что позволяет резко сократить сроки их строительства (табл.1).
Таблица 1
Сроки строительства современных бетонных плотин и
интенсивности бетонных работ
Плотина
(страна, год завершения строительства)
Уиллоу-Крик
(США, 1983 г.)
Тамагава
(Япония, 1990 г.)
Аппер Стиллуотер
(США, 1987 г.)
Миайгаси
(Япония, 2001 г.)
Риалб
(Испания, 2000 г.)
Ралко
(Чили, 2004 г.)
Бени Харун
(Алжир, 2000 г.)
Оливенхейн
(США, 2003 г.)
Майл 1
(Колумбия, 2002 г.)
Эртан1)
(Китай, 1999 г.)
Иёва2)
(Мьянма, 2008)
Высота
плотины,
м
Объем
бетона,
тыс. м3
Производительность бетонных
заводов,
м3/час
Максимальная
интенсивность
бетонирования,
м3/сутки
Продолжительность
бетонных
работ, мес.
52
333
330
4460
5,5
100
1140
360
5800
27
91
1223
575
6120
21
156
2000
360
6000
40
101
1205
560
6000
33
155
1540
700
6000
22
95
1900
800
9500
21
97
1140
750
12250
12
188
1750
600
7200
26
240
4242
720
8500
48
134
2472
480
7555
34
Примечания. 1)Арочная плотина Эртан возведена с применением малопластичных бетонных смесей, остальные плотины, приведенные в таблице, – с применением «укатанного» бетона.
2) Для плотины Иёва приведена интенсивность бетонных работ при укладке только укатанного бетона; общий объем бетона плотины – 2860 тыс.м3.
Для оценки практической значимости кардинального изменения темпов строительства
бетонных плотин и затрат человеческого труда на создание гидроузлов, обусловленных переходом к возведению плотин однослойными блоками, сопоставим некоторые данные.
Так известно, что на возведение, например, глухой гравитационной плотины Ондского
гидроузла, построенного в нашей стране в 1950-1957 г.г., было потрачено около 3 лет, причем
на этом строительстве было занято почти 700 человек. В плотину высотой 36,6 м и длиной по
гребню 513 м было уложено 110 тыс. м3 бетона.
3
В 1983 г. одна из первых гравитационных плотин из «укатанного» бетона – Уиллоу Крик
в США (табл.1) высотой 52 м и объемом 333 тыс.м3 была возведена за 5,5 месяцев, причем на ее
строительстве было занято всего 70 человек∗.
Нужно отметить, что разработка и научное обоснование технологии возведения плотин
однослойными блоками, выполненные в нашей стране в 1965-1972 г.г., позволили в целом ряде
случаев отказаться от кусочно-мозаичной столбчатой разрезки сооружений и перейти к укладке
бетона блоками очень больших площадных размеров. В результате, как известно, площади блоков бетонирования при возведении плотин Токтогульской ГЭС, Курпсайской ГЭС, ГЭС-ГАЭС
Чаира и др., достигали 2000-2500 м2 [10-11]. Это дало возможность выполнять все технологические операции высокопроизводительными машинами и резко сократить объемы наиболее
трудоемких и дорогостоящих опалубочных и цементационных работ. Широкая и успешная
практическая апробация технологии однослойного бетонирования [12,13] и тщательное научное
обоснование ее принципов создали благоприятные предпосылки и для применения в нашей
стране однослойного бетонирования и с использованием вместо малопластичных бетонов так
называемых «укатанных» бетонов.
Близость этих технологий друг к другу наглядно иллюстрируется фотографиями, представленными на рис.2 и рис.3.
Переход в плотиностроении к технологиям, которым органически присуще выполнение
бетонных работ с помощью мощных, высокопроизводительных машин и механизмов (бетонных
заводов производительностью 300-800 м3/час, бетоновозов грузоподъемностью 25-40 тонн,
конвейерных систем, рассчитанных на подачу 200-300 м3/час бетонной смеси, бульдозеров и
виброуплотняющих машин производительностью 200-300 м3/час и т.д.), позволил возводить
даже очень большие сооружения в короткие сроки при участии очень небольшого числа строителей, и в несколько раз уменьшить жилые поселки и объемы производственных баз. Так, уже
при строительстве Токтогульской и Курпсайской ГЭС трудозатраты в расчете на 1 м3 уложенного в плотины бетона составили 0,25-0,30 чел.-дн./м3, а при использовании «укатанного» бетона при возведении плотины Ташкумырской ГЭС – всего 0,2 чел.-дн./м3. В США при строительстве одной из первых плотин из «укатанного» бетона - Аппер Стилуотер (табл.1), трудозатраты составили 0,15 чел.-дн./м3 бетона [14,15], а при возведении плотин из «укатанного» бетона в последние годы – еще меньше.
Резкое уменьшение затрат труда при резком же возрастании интенсивности бетонных
работ при переходе к возведению плотин однослойными блоками в значительной мере обусловлено существенным сокращением объемов и упрощением опалубочных работ, которые
всегда сдерживали темпы бетонирования и требовали участия в этих работах большого числа
строителей [1,15]. При возведении плотин однослойными блоками большой площади (рис. 2 и
3) опалубливаются, по сути дела, только внешние поверхности - их напорных и низовых граней. То, что не приходится опалубливать и распалубливать огромные по суммарной площади
поверхности многочисленных блоков бетонирования внутри сооружений (как это необходимо
при столбчатой разрезке сооружений на блоки бетонирования – рис. 4), дает возможность сократить объемы опалубочных работ и, соответственно, затраты труда и времени на подготовку
блоков к бетонированию на 20-80 % в зависимости от размеров плотин.
∗
В 1985 г. в нашей стране по послойной технологии из «укатанного» бетона были возведены: менее чем за 2 месяца - напорная стенка Ташкумырской ГЭС высотой 22 м и длиной 115 м; почти за 2 месяца – переливная стенка
объемом 23 тыс. м3 на строительстве КурейскойГЭС [8,9].
4
Рис.2. Плотина Коусар (Иран), высотой 144 м.
Плотина возведена в 2005 г. однослойными блоками
с применением малопластичных бетонных смесей
5
Рис.3. Плотина Широмицу из укатанного бетона (Япония), высотой 55 м.
6
7
Рис. 4. Строительство Зейской ГЭС с массивно-контрфорсной плотиной.
1975 г.
Вместе с этим, переход к возведению плотин блоками бетонирования большой площади
позволяет отказаться от дорогостоящей и технически сложной цементации многочисленных
межблочных швов и создавать гораздо более монолитные сооружения, чем при столбчатой их
разрезке.
Что касается межсекционных (деформационно-осадочных) швов, число которых невелико, а также температурных швов-надрезов (рис.2,3), то отработанные к настоящему времени их
конструкции, позволяют легко и быстро монтировать эти швы из сборных элементов, не создавая препятствий поточному бетонированию. Высокотехнологичная конструкция шва-надреза
показана на рис.5. Столь же технологичны и современные конструкции межсекционных швов,
располагаемых на расстояниях 30-80 м друг от друга.
Рис.5. Современная конструкция температурного шва-надреза
8
Особенностью современных бетонных плотин является придание их низовым граням
ступенчатой формы (рис.6). С одной стороны, это обусловлено тем, что «послойное » возведение плотин естественно и гармонично сочетается с созданием именно ступенчатых низовых
граней. С другой стороны, это дает ряд технологических преимуществ:
• ступенчатая форма низовой грани позволяет сократить объем опалубочных работ
для этой грани почти на 30 %;
• резко упрощается конструкция опалубки, ее монтаж и перемонтаж;
• обеспечиваются благоприятные условия для укладки и уплотнения лицевых слоев
бетона на низовой грани;
• создается возможность перелива паводковых вод через плотину во время ее
строительства (рис.7).
Рис. 6. Плотина Коусар (Иран) со ступенчатой низовой гранью и ступенчатым водосбросом во время строительства. 2004 г. [16]
Рис. 7. Перелив нерасчетного паводка через плотину Ралко (Чили) со ступенчатой низовой гранью из-за разрушения верховой перемычки высотой 45 м. 2003 г. [17]
Высота плотины в момент перелива через нее паводковых вод – около 50 м.
Необходимо отметить, что переливы паводковых вод через плотину Ралко во время ее
строительства (всего переливов было два) не причинили ей ни малейшего вреда - бетонные работы возобновлялись сразу же после окончания переливов. Это наглядно показало возможность
в настоящее время совершенно другого, нового подхода к нормированию обеспеченности паводков и выбору параметров перемычек при проектировании и строительстве плотин со ступенчатой низовой гранью.
9
Широкое распространение «послойной» технологии возведения бетонных плотин со
ступенчатой низовой гранью инициировало повышенный интерес и к ступенчатым водосбросам, в частности, к возможности их использования не только при малых, но и при больших
удельных расходах потоков воды. Проведенными в нескольких странах специальными исследованиями было установлено и доказано, что такие водосбросы дают возможность избежать кавитации даже при сбрасывании высокоскоростных потоков воды, благодаря чему нет необходимости применять кавитационно-стойкие бетоны с их сложной технологией [18 и др.].
Очень большое практическое значение для экономичности и надежности бетонных плотин имеет также то, что «послойное » их возведение обеспечивает возможность наиболее рационального распределения бетона в массивных сооружениях [19,20]. Это особенно важно для
строительства гидроузлов в районах с суровым и особо суровым климатом. При рациональном
распределении бетона в плотинах удается оптимизировать (как правило, свести к необходимому минимуму) объемы бетона дорогостоящих и технологически сложных наружных (защитных) зон – морозостойкого бетона, кавитационно-стойкого бетона и т.д. Вместе с тем, становится реально возможным использовать для внутренних зон плотин бетонов с очень небольшим
содержанием цемента (60-100 кг/м3 бетона) и, что не менее важно, - заполнителей местных
карьеров с упрощенной их подготовкой.
Далее. Для плотин, возводимых однослойными блоками бетонирования большой площади и небольшой высоты (0,3-1,0 м) характерно использование в качестве основного средства
регулирования температурного режима возводимых сооружений – поверхностного охлаждения.
Его высокая эффективность подтверждена и исследованиями и практикой мирового плотиностроения последних лет [1, 10,16 и др.]. Там, где оно применено надлежащим образом, плотины
практически не имеют трещин.
И, наконец, последнее, что необходимо отметить. Применяемые при возведении плотин
однослойными блоками технологические системы обладают повышенной надежностью и устойчивостью, что позволяет четко планировать бетонные работы, причем проектные и фактические графики бетонирования, как правило, полностью совпадают. Это позволяет полноценно
использовать всю высокопроизводительную бетоноукладочную технику.
3. Отечественный опыт и актуальные задачи для условий нашей страны:
Опыт российских специалистов-гидротехников в проектировании и строительстве плотин из укатанного бетона не ограничивается пределами нашей страны – как известно, они участвовали в проектировании и строительстве целого ряда сооружений из укатанного бетона в
различных странах – Анголе (гидроузел Капанда), Вьетнаме (гидроузлы Плейкронг и Шон-Ла),
Иране (гидроузел Джигин и др.) и т.д. (рис. 8-10).
10
Рис.8. Строительство плотины Капанда в Анголе.
Рис. 9. Строительство плотины Плейкронг во Вьетнаме
11
Рис.10. Укладка укатанного бетона в нижнюю часть плотины Коусар (Иран).
Актуальные задачи для условий нашей страны.
•
•
Разработка конструкций высокотехнологичных бетонных плотин
( ведется, но недостаточными темпами)
Разработка методов возведения плотин из «укатанного» бетона в зимнее время
(заторможена в нашей стране в последние десятилетия)
12
Литература
1. Судаков В.Б., Толкачев Л.А. Современные методы бетонирования высоких плотин.
М.:Энергоатомиздат, 1988.
2. Судаков В.Б. Строительство плотин из укатанного бетона. Обзорная информация. М.,
Информэнерго, 1988.
3. Hydropower & Dams World Atlas. 2009.
4. Судаков В.Б., Марчук А.Н., Караваев А.В.Современные конструктивно-технологические решения для сейсмостойких гравитационных плотин // Гидротехническое
строительство. 1996. № 2.
5. Proceedings of the International Symposium on new trends and guidelines on dam safety.
V .1,2. Barcelona, Spain. 1998.
6. Судаков В.Б., Марчук А.Н. Перспективные конструктивно-технологические решения
для сейсмостойких гравитационных плотин. Известия ВНИИГ, т.238, 2000.
7. Ивашинцов Д.А., Судаков В.Б., Василевский А.Г., Шангин В.С., Юркевич Б.Н., Караваев А.В., Лапин Г.Г. Принципы конструирования современных бетонных плотин //
Гидротехническое строительство. 2004. № 2.
8. Шангин В.С. Сопрягающая напорная стенка из укатанного бетона. // Энергетическое
строительство, 1986, № 1.
9. Зальцман О.М., Аниканов К.А., Дерюгин Е.П., Ягин В.П. Опыт применения жесткого
малоцементного
укатываемого бетона на строительстве Курейской ГЭС.
//Энергетическое строительство, 1986, № 11.
10. Толкачев Л.А., Судаков В.Б. Токтогульский метод бетонирования массивных сооружений. М., «Энергия», 1973.
11. Kouzmin K.K., Kouperman V.L., Oskolkov A.G., Sudakov V .B., Tolkatchev L.A., Shangin
V .S. Construction of high concrete dam in narrow deep gorge. Transactions of the XI-th
ICOLD Congress. Q. 43, R. 10. Paris, 1973.
12. ВСН 06-74/МЭиЭ СССР. Инструкция по применению послойного (Токтогульского) метода укладки бетона в гидротехническом строительстве. М., 1974.
13. П 25-85/ВНИИГ. Рекомендации по применению укатанных бетонов в гидротехническом
строительстве. Л., 1985.
14. Судаков В.Б. Технология возведения плотины Аппер Стилуотер из укатанного бетона. //
Энергетическое строительство за рубежом, 1989, №1.
15. Шангин В.С. Технико-экономические показатели конструкций из малоцементного укатанного бетона. //Энергетическое строительство. 1991, № 7.
16. Синев В.В., Судаков В.Б., Солтани Н.Х., Кейхампур К.Т. Особенности конструкции и
технологии бетонирования плотины Коусар // Гидротехническое строительство. 2006. №
6.
17. Uribe L.A., Hofer O.A. Ralco: A dam constructed under difficult conditions. Transactions of
the XXII Congress on Large Dams. Q.84, R.4, Barcelone, 2006.
18. Cудаков В.Б. О долговечности и технологичности ступенчатых водосбросов // Гидротехническое строительство. 2010. № 10.
19. Судаков В.Б. Особенности зонального распределения бетона в гравитационных плотинах при современных методах их возведения. Известия ВНИИГ, т.177, 1984.
20. ICOLD Bulletin 117. The Gravity Dam a Dam for the Future. Paris, 2000.
13
14