Глава девятая
БЕТОННЫЕ ПЛОТИНЫ
9.1. Современные тенденции в строительстве высоких бетонных плотин
В последние годы наблюдается значительное увеличение масштабов строительства грунтовых плотин, что объясняется благоприятным соотношением цен в пользу грунтовых материалов, развитием механизации земельно-скальных работ и наличием богатого опыта их возведения. В результате за последние 40 лет доля бетонных гравитационных плотин в мировом плотиностроении в целом уменьшилась с 40 до 10%. Однако при выборе типа высокой плотины (100 м и более) в ряде случаев отдают предпочтение бетонным. Наибольшая высота осуществленных бетонных плотин составляет 284 м для гравитационных (плотина Гранд Диксанс в Швейцарии) и 271,5 м для арочных (плотина Ингурской ГЭС в СССР). Значительное увеличение высоты бетонных плотин обусловливается ростом установленных мощностей на ГЭС, смещением гидротехнического строительства в горные районы, где эффективно создавать большие регулирующие водохранилища, а также накоплением опыта строительства таких плотин и растущей механизацией их возведения.
Для современного этапа характерен постепенный переход от массивных гравитационных бетонных плотин к более тонкостенным конструкциям, облегчённым гравитационным, арочным, массивно-контрфорсным и многоарочным плотинам, в которых более полно используются прочностные свойства бетона. Эти тенденции ранее всего проявились в таких западноевропейских странах, как Франция, Италия, Португалия, Испания, Швейцария, Швеция, Норвегия, а затем в Японии, Канаде и США. Более половины осуществленных за последнее время бетонных плотин в США — арочные. Совершенствуются также конструкции гравитационных плотин и технология их возведения — снижается противодавление путем устройства полостей в основании, создаются межсекционные широкие швы и осуществляются другие мероприятия, обеспечивающие надежность и экономичность плотин (примером могут служить плотины Гранд Диксанс, Братская, Красноярская, Усть-Илимская, Курпсайская и др.). В последнее время возводятся индустриальными методами гравитационные плотины из бетона с относительно малым содержанием цемента (методы непрерывного бетонирования и др.).
При сооружении гравитационных плотин в узких створах характерно стремление обеспечить полностью или частично сцепление между отдельными секциями (за счет штраб, цементации или сочетания штраб и цементации в температурно-осадочных швах) для передачи соседним секциям и берегам части гидростатической нагрузки (плотины Шаста, Бхакра, Укари, Токтогульская, Курпсайская и др.).
Строительство высоких бетонных плотин сегодня осуществляется в створах с геологическими условиями, ранее считавшимися неприемлемыми для их возведения. Так, практикуется возведение высоких плотин на сильнотрещиноватых и тектонически дислоцированных породах (перемятые известняки, песчаники, сланцы с перемежающимися глинистыми прослойками и др.), что объясняется накопленным опытом возведения таких сооружений, освоением способов укрепления горных пород. Это требует выполнения значительных укрепительных работ (анкеровка, преднапряжение, усиленная цементация и др.) в основании плотин [плотины Грончарово (Югославия), Мовуазен (Швейцария), Боренар (Италия), Монтейнар (Франция), Кавамто, Наговадо (Япония), Токтогульская и Чиркейская (СССР) и др.].
Бетонные плотины высотой 200—300 м часто строятся в районах со значительной сейсмической активностью. В СССР в таких районах построены Ингурская, Токтогульская, Чиркейская и другие плотины. В тяжелых геологических условиях в зоне 10-балльной сейсмичности построена в Японии арочная плотина Наговадо высотой 155 м для ГЭС-ГАЭС Адзуми. В основании этой плотины в сланцах имеются многочисленные тектонические трещины. Раздробленные рыхлые зоны и включения глинистых песков расчищены гидромониторами на глубину до 30 м. Около 15 тыс. м3 рыхлого грунта заменено бетоном, основание дополнительно обжато предварительно напряженными анкерами и в нем предусмотрено устройство сильно развитых цементационных и дренажных систем.
Кроме облегченных гравитационных и арочных плотин расширяется строительство высоких многоарочных, контрфорсных и массивно-контрфорсных бетонных плотин. Во Франции построена комбинированная плотина Розелан с центральной аркой пролетом около 200 м и боковыми арками с опирающимися на них контрфорсными участками плотин. Многоарочная плотина Маникуаган-5 (Даниель-Джонсон) в Канаде высотой 220 м имеет центральную арку с пролетом между осями
контрфорсов 180,0 м и 13 арок с пролетами 76,2 м. Возводится массивноконтрфорсная плотина высотой 200 м на гидроузле Итайпу на р. Паране в Бразилии. В состав Зейского гидроузла входит массивно-контрфорсная плотина высотой 110 м.
При наличии в составе гидроузла бетонных плотин последние обычно используются и как водосбросные сооружения. Выбор удельного расхода сбрасываемого потока производится путем технико-экономического сопоставления различных вариантов сопряжения сбрасываемого потока с нижним бьефом и типов креплений нижнего бьефа плотины, с учетом инженерно-геологических условий, скоростей течения, условий гашения энергии и растекания потока в нижнем бьефе. Рекомендуется принимать удельные расходы воды, сбрасываемые через плотины на скальных основаниях, до 100—150 м3/с, в настоящее время в некоторых проектах эти расходы рекомендуется увеличивать до 150—180 м3/с.
При компоновке сооружений размеры и расположение водосбросных отверстий определяются с учетом обеспечения необходимого срока опорожнения водохранилища и полезных попусков в нижний бьеф плотины. В случаях, если не требуются глубокая сработка уровня водохранилища, а также ирригационные и другие попуски в нижний бьеф, обычно используются поверхностные водосбросы с затворами на гребне плотины. Этот вид сбросных устройств широко применяется во всех типах бетонных плотин и предназначается для сброса паводковых вод, льда и плавающих тел. Положительными качествами таких водосбросов являются надежность эксплуатации, меньшая масса затворов и подъемных механизмов по сравнению с глубинными затворами и доступность для ревизии и ремонта.
Поверхностные водосбросы устроены на гребне ряда высоких арочных плотин (Вайонт, Куробе, Моссирок, Ингурская, Кастенрейт, Куэск, Яблоница и многие другие). Часто эти водосбросы осуществляются в виде водосливных оголовков, плавно переходящих на низовой грани в водосливную поверхность, которая заканчивается либо носком-трамплином, либо водобойным колодцем. Ряд эксплуатируемых и строящихся гидроузлов с гравитационными и массивно-контфорсными плотинами (Бухтарминский, Братский, Красноярский, Усть-Илимский, Зейский) имеют однотипные конструкции поверхностных водосбросов со сбросом расходов реки в нижний бьеф через носки-трамплины.
В последние годы при строительстве высоконапорных гидроузлов значительно шире применяются глубинные водосбросы, что позволяет существенно увеличить регулирующие объемы водохранилища. Имеются случаи, когда весь или почти весь водосбросной фронт гидроузла образован заглубленными отверстиями. Так, в теле арочной плотины Кабора-Басса кроме небольшого поверхностного водосброса имеются рассчитанные на расход 13000 м3/с восемь водосбросов, заглубленных на 80 м под уровень верхнего бьефа. На пропуск соответственно 7140, 5670 и 9500 м3/с рассчитаны глубинные водосбросы арочных плотин Баундери (США), Кукуан (о. Тайвань) и Каибамбе (Англия). Глубинные водосбросы, работающие под напором 80 и пропускающие 12 000м3/с, предусмотрены в теле плотины Саяно-Шушенского гидроузла.
Для гашения кинетической энергии потока при пропуске паводка одновременно через гребень плотины и глубинные водосбросы иногда используется принцип соударения струй. Для высоконапорных гидроузлов с водосбросами в теле бетонных плотин сопряжение бьефов обычно осуществляют отбросом потока носком-трамплином или созданием в нижнем бьефе поверхностного или донного прыжка. Сопряжение бьефов по типу отброса потока носком-трамплином целесообразно применять при достаточно прочных породах в русле и в склонах, исключающих опасность оползней и размывов, и в относительно широких створах, позволяющих рассредоточить поток в нижнем бьефе и не допустить вредного воздействия сбросного потока на работу ГЭС. При сбросе потока с отметок, обусловливающих его падение вблизи сооружения, иногда устраивают водобойный колодец или во избежание подмыва основания плотин применяют бетонное крепление русла.
При выборе типа сопряжения бьефов необходимо учитывать имеющиеся случаи размыва русла в нижнем бьефе высоконапорных гидроузлов. Так, в нижнем бьефе гидроузла Кариба при сбросе паводковых расходов до 9500 м3/с в течение 5 лет образовался размыв глубиной 45—50 м в русле, сложенном трещиноватыми кварцитами и биотитовыми гнейсами. При эксплуатации в течение 5 лет водосбросов гидроузла Пикотэ при расходах 1000—7000 м3/с в трещиноватых гранитах образовался размыв глубиной 12—15 м. В нижнем бьефе Красноярской ГЭС во время строительства произошел размыв русла на глубину до 10— 14 м за строительными водосбросами, работавшими при напоре до 70 м.
В относительно узких створах или при наличии приплотинных ГЭС или ГАЭС иногда приходится бетонные плотины осуществлять глухими и предусматривать устройство береговых (туннельных или поверхностных) водосбросов. При этом в качестве водосбросных трактов обычно используются строительные туннели.
Опыт строительства больших плотин в СССР показал необходимость проведения широких региональных инженерно-геологических исследований (структурно-геологических, литолого-генетических) для выявления условий залегания и закономерностей формирования инженерно-геологических свойств пород. В большем объеме, нежели ранее, выполняются инженерно-геологические съемки, региональные изыскания и изучается проявление новейших тектонических движений. Например, для обоснования проекта Токтогульского гидроузла было выполнено около 176 км2 геологических съемок, 130 полевых определений деформативных свойств скалы, пройдено 10 тыс. м колонкового бурения, 10 тыс. м горных работ и пр.
Необходимо также дальнейшее развертывание всесторонних научных исследований, охватывающих проблемы гидравлики, геотехники, выявления статических и динамических прочностных и сейсмологических характеристик и др. Одновременно с расширением экспериментальных исследований продолжается совершенствование различных расчетных методов, в особенности с использованием ЭВМ. Изучаются в широком объеме вопросы улучшения строительного производства. С каждым годом развиваются натурные исследования бетонных плотин и совершенствуется закладываемая в них контрольно-измерительная аппаратура.
Таблица 9.1. Бетонные плотины на наскальных основаниях
Примечание.
Прочерки в таблице означают отсутствие данных.
