Водопропускные отверстия в теле плотины

Лекция 12 КОНСТРУКЦИИ БЕТОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН (часть 5)
12.1 Дренажные и смотровые устройства
Дренаж устраивают в теле плотины для снижения фильтрационного
противодавления и избежания вредного физико-химического и механического
воздействия фильтрации воды. Он представляет собой систему вертикальных
(реже горизонтальных) дрен круглого сечения, расположенных вблизи
напорной грани сооружения, непосредственно за слоем водонепроницаемого
бетона, если он укладывается. Расстояние от напорной грани плотины до оси
дренажа а1 принимается не менее 2 м при соблюдении условия а1 ≥ кнН /Iкр, где
Н – напор над расчётным сечением; Iкр – критический средний градиент напора,
для бетона гравитационной плотины Iкр = 25.
Вертикальные дрены имеют диаметр около 20 - 30 см, иногда они представляют собой дренажные шахты диаметром 70 - 80 см и располагаются с
шагом 2 - 4 м. Вода, проникшая в дрены, собирается далее продольными галереями, которые устраивают через 20 - 30 м по высоте и служат также для
инспекционных целей; по кюветам галерей вода направляется в поперечные
галереи или штольни, выводящие её в нижний бьеф. В галерею у подошвы сооружения отводится также вода, поступившая из дрен основания.
Современные способы устройства вертикальных дрен заключаются в установке при
бетонировании тела плотины труб из пористого бетона или стальных труб, наружная поверхность
которых смазывается отработанным маслом или солидолом для облегчения подъёма их вверх по
мере роста бетонной кладки и извлечения после завершения бетонирования. Горизонтальные дрены
круглого или трапецеидального сечений глубиной 15 - 20 см и шириной понизу 15 см устраивают в
межблочных швах через 1 - 1,5 м по высоте. Вода собирается дренажными вертикальными шахтами,
располагаемыми через 30 - 50 м одна от другой.
Смотровые устройства и полости. Для осмотра состояния внутренних частей бетонной плотины, для наблюдения за ходом фильтрации и появлением
трещин, для расположения различной измерительной аппаратуры, а иногда
для служебного сообщения между берегами устраивают специальные горизонтальные или наклонные галереи и вертикальные шахты. Минимальную ширину
смотровой галереи для прохода по ней принимают равной 1,2 м, высоту – 2 м;
при необходимости проезда ширину принимают равной 2,5 - 3 м и более,
высоту – от 3 м и более. При наличии нескольких галерей в плотине нижняя,
устраиваемая возможно ближе к основанию, может быть использована для
дополнительной цементации под зубом плотины, если это потребуется в
период эксплуатации сооружения; в этом случае высота галереи должна быть
не менее 3,5 - 4 м при ширине не менее 2,5 м. Выходы из горизонтальных
галерей делают или непосредственно на береговые склоны, или по наклонным
и вертикальным шахтам на гребень плотины. Иногда в плотине устраивают
полости для размещения, например, машинного зала гидроэлектростанции.
Сплошность тела плотины при устройстве галерей и полостей нарушается, что
1
ведёт к перераспределению напряжений, свойственных сплошному телу
плотины.
12.2 Грани, гребень и водопропускные отверстия плотины
Если у граней плотины укладывают "зональный" бетон (водонепроницаемый с напорной
стороны, морозостойкий у открытых поверхностей, стойкий против истирания по водосливной грани,
то обычно никаких дополнительных защитных мероприятий не требуется. Однако для
повышения долговечности сооружения поверхности плотины могут
усиливаться опалубкой из бетонных блоков толщиной 0,3 - 0,6 м, изготовленных
заранее из особо плотного бетона; в суровых климатических условиях (если
среднемесячная температура наиболее холодного месяца ниже - 20 °С )
верховая грань плотины в зоне переменного уровня армируется поверхностной
сеткой из стержней диаметром 20 - 25 мм с шагом 0,25 м.
При наличии значительной агрессивности речной воды по отношению к
бетону плотины, помимо подбора соответствующего состава бетона применяют
гидроизоляцию напорной грани плотины. Последняя может быть выполнена в
виде горячей или холодной асфальтовой штукатурки или же из рулонного
гидроизоляционного материала.
Асфальтовые штукатурки, особенно горячие, нуждаются в защитном
экране, в частности в зоне переменного уровня воды, от действия льда,
плавающих тел и др. Экраны устраивают, например, в виде слоя цементного
торкрета по заанкеренной в бетон арматурной сетке 5х4 см из проволоки
диаметром 1 мм или в виде железобетонных плит толщиной 6 - 8 см,
закрепляемых в бетоне анкерными болтами. В последнее время для
гидроизоляции стали применять каменноугольно-эпоксидное покрытие,
армированную стеклоткань и др.
Водосливная грань плотины может дополнительно упрочняться вакуумированием бетона или полимербетоном.
Гребень плотины используют для служебного прохода, проезда или других целей. Ширина гребня
выбирается с учётом условий производства работ и его назначения, но должна быть не менее 2 м. В случае
устройства проезда гребень плотины должен иметь достаточную ширину дорожного полотна с одним или
двумя тротуарами и ограждение с обеих сторон. В целях снижения массы надстройки полотно дороги иногда
поддерживается бетонной сводчатой или железобетонной конструкцией.
Возвышение гребня плотины над НПУ определяют по формуле
d = hв + Δh + δ ,
(12.1)
где hв — высота ветровой волны; Δh — высота ветрового нагона; δ — запас, назначаемый равным 0,4 - 0,8 м в
зависимости от класса сооружения.
Водопропускные отверстия в теле плотины. В теле бетонной плотины
могут устраиваться временные (строительные) и постоянные водопропускные
сооружения: водосбросы, водоспуски и водовыпуски, а также водоводы для
подачи воды к турбинам ГЭС.
Водосбросы в теле бетонной плотины на скальных основаниях
устраивают с поверхностными (водосливными) либо с глубинными отверстиями.
При выборе типа водосбросных отверстий следует учитывать, что водосливные
2
отверстия по сравнению с глубинными оборудуются более простыми затворами
и механизмами для маневрирования ими, они более доступны для осмотра и
ремонта и поэтому более надёжны в эксплуатации.
Однако глубинные водосбросы, особенно работающие под большим
напором, обеспечивают пропуск заданного расхода при меньших сечениях
водовода. Экономичность этого типа водосброса объясняется также возможностью использования отверстий, устраиваемых в теле плотины, для пропуска
строительных расходов и выполнения функций водоспуска.
Удельные расходы потока, сбрасываемого через сооружение в нижний
бьеф, при прочном скальном основании достигают 150 м3/с на 1 м и более; гашение энергии потока и сопряжение бьефов осуществляются по типу донного
режима или путём отброса струи носками-трамплинами. При сбросе свободно
падающей струи необходимо обеспечить её отброс на безопасное для
устойчивости сооружения расстояние (0,4 - 0,6) Нпл, где Нпл– высота плотины.
Глубинные водопропускные отверстия ослабляют сечение плотины и их
ширина не должна превышать (0,5 - 0,6) l, где l – ширина секции. Водовод по
контуру обычно армируют, а при высоких напорах (более 50 м) и скоростях 20 25 м/с и более часто применяют стальную облицовку.
12.3 Особенности конструкции плотин из укатанных бетонов
Плотины из малоцементного укатанного бетона возводят наиболее
простым методом, аналогичным методу возведения грунтовых плотин; бетон
укладывают послойным методом (слоями по 0,5—1,0 м), бетонную смесь
уплотняют вибро- и пневмокатками, тяжёлыми автомашинами и т. п.
(уплотнению глубинными вибраторами особо жёсткие смеси не поддаются).
Строительство плотин из укатанных бетонов имеет большие преимущества. Бетоны, получаемые из малоцементных особо жёстких бетонных смесей (с
расходом вяжущего около 100 кг/м3 и с прочностью на сжатие 10 - 15 МПа),
отличаются низким тепловыделением и малой усадкой. Это дает возможность
бетонировать массивные сооружения блоками больших размеров без сложных
и дорогих мер по регулированию температурного режима бетонной кладки
(охлаждения бетонной смеси, трубного охлаждения и т. д.). Высокая ранняя
прочность такого бетона обеспечивает возможность перемещения по нему
тяжелых машин и механизмов для укладки и уплотнения бетонной смеси. Всё
это позволяет вести бетонирование с очень высокой интенсивностью укладки
бетона, резко уменьшить трудозатраты, снизить стоимость и сроки возведения
сооружения.
К настоящему времени во всем мире построено, строится и
проектируется около 100 плотин из укатанного бетона. Анализ общих
конструктивных решений по плотинам из укатанного бетона показывает, что,
как правило, их профиль не отличается от профиля обычных бетонных плотин.
Некоторые их конструктивные особенности связаны со спецификой
3
малоцементного материала, его укладкой и уплотнением. Общими
недостатками укатанных бетонов в результате малого содержания вяжущего и
сыпучей консистенции смеси являются: более высокая неоднородность этого
материала, чем у обычного бетона, из-за склонности к расслоению при
перегрузках, подаче в блоки и распределении; отчётливо выраженная слоистость бетонной кладки с повышенной её водопроницаемостью по горизонтальным швам; низкие показатели морозо-стойкости материала. Всё это приводит к необходимости защиты укатанного бетона от внешних воздействий и
фильтрации воды.
Конструктивно и технологически защита укатанного бетона осуществляется различными способами. Основной метод защиты — создание наружной
зоны из обычного вибрированного бетона с повышенным содержанием
цемента. Ширина такой зоны определяется из условий достаточности
противофильтрационной защиты и ожидаемой глубины проникновения температурных колебаний, опасных с точки зрения трещиностойкости и
долговечности бетона.
Кроме того, для лучшего сопряжения со скалой зоны, контактирующие с
основанием и бортами каньона, как правило, также выполняются из вибрированного бетона; укладка обычного бетона в основание помимо прочего позволяет создать выровненную поверхность для последующей укладки бетона. В таких плотинах малоцементный бетон располагается во внутренней зоне и относительный его объём колеблется от 30 до 90%.
Имеются примеры плотин, которые полностью возведены из укатанного
бетона, например, плотина Уиллоу Крик (США) высотой 51,5 м. Однако после
наполнения водохранилища в нижней части этой плотины была обнаружена
усиленная фильтрация по горизонтальным строительным швам, что потребовало выполнения цементационных работ.
Различные варианты конструкций напорной грани плотины показаны на
рис. 12.1.
Рис. 12.1. Варианты конструкции верховой грани
1 – опалубка; 2 – обычный вибрированный бетон; 3 – укатанный бетон
тела плотины; 4 – подстилающий слой; 5 – облицовочный элемент
В Японии при строительстве плотин из укатанного бетона используется
вариант устройства экрана из обычного вибрированного бетона (рис. 12.1, а).
4
Он предусматривает такую последовательность операций: укладка у напорной
грани полосы обычного бетона шириной 2 - 3 м и высотой 0,7 - 1 м, отсыпка и
разравнивание малоцементной бетонной смеси тремя-четырьмя слоями по 0,2
- 0,25 м, вибрирование бетона у напорной грани, уплотнение виброкатками
укатываемой смеси с заездом катка на полосу обычного бетона и, наконец,
дополнительное вибрирование глубинными вибраторами зоны сопряжения
бетонов двух видов. Близкий к данному способ создания наружных зон из
обычного бетона при одновременной укладке в блок бетона двух типов был
применён при строительстве плотины Ташкумырской ГЭС (рис. 12.2).
С целью уменьшения фильтрации в верховой зоне сооружения в швах
между слоями укатанного бетона часто укладывают подстилающий слой из
обычного бетона полосой 1 - 2 м (рис. 12.1, б); имеются примеры защиты
верховой грани плотины бетонными облицовочными бордюрами (рис. 12.1, в),
устраиваемыми с помощью горизонтально скользящей опалубки и
бетоноукладчиков.
Варианты выполнения конструкций низовой грани показаны на рис. 8.9.
Наряду с устройством на низовой грани наружной зоны из обычного вибрированного бетона (рис. 12.2, а) применяют облицовку её бетонными элементами,
играющими роль только опалубки (рис. 12.2, б). Иногда на низовой грани создают буферную зону из укатанного бетона с повышенным содержанием цемента,
которая, подвергаясь разрушительным воздействиям попеременных циклов замораживание — оттаивание, обеспечивает защиту основного профиля из укатанного бетона от этих воздействий (рис. 12.2, б).
Рис. 12.2. Поперечное сечение секций плотины Ташкумырской ГЭС
а — водосливной; б — глухой
5
Защитный слой бетона на напорной грани плотины должен сочетаться с
дренажной системой для перехвата профильтровавшей через этот слой воды,
так как иначе она будет фильтровать в нижний бьеф по горизонтальным швам
между слоями укладки. Конструкция дренажа в виде вертикальных дренажных
скважин между галереями, которые могут быть дополнены продольными
горизонтальными дренами, аналогична таковой в обычных плотинах.
Рис. 12.3. Варианты конструкции низовой грани
1 – обычный вибрированный бетон; 2 – укатанный бетон тела плотины; 3 –
облицовочный элемент; 4 – укатанный бетон с повышенным содержанием
вяжущего (буферная зона)
6