§ 17—2. КОНСТРУКЦИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН
Конструкции гравитационных плотин должны обеспечить устойчивость и прочность плотины и ее основания без излишних запасов, должны быть экономичны и просты по выполнению и эксплуатации, красивы по оформлению, совершенны по использованию водных ресурсов, должны допускать возможность контроля состояния плотины и основания.
Выполнение этих требований относится к комплексу плотины и ее оборудования (затворы, подъемники, мосты), ГЭС при плотине, конструкции ни ясного бьефа. В настоящей главе эти вопросы рассматриваются только применительно к самой плотине.
Дренаж. Большое значение в вопросе устойчивости и экономичности гравитационной плотины имеет уменьшение или полное снятие фильтрационного противодавления по ее подошве. Глубинная цементационная завеса, действуя как глубокий шпунт, существенно снижает противодавление, однако остаток его еще значителен; дальнейшее снижение противодавления достигается дренированием основания плотины путем устройства проходной смотровой галереи в теле плотины, ряда скважин из нее до основания и одной или нескольких выводных трубок из галереи в нижний бьеф плотины (рис. 17—1). Расстояние от верховой грани плотины до верховой стены смотровой галереи принимают нс менее 2—2,5 м.
Фильтрационная вода постукает через скважины 4 в кювет смотровой галереи и оттуда стекает по трубке (или трубкам) в нижний бьеф или откачивается в этот бьеф (при высоком его уровне).
Однако при такой системе дренажа между дренами смотровой галереи и низовым концом подошвы плотины еще остается небольшой избыточный напор сверх уровня нижнего бьефа, который снимается практически полностью, если дрены смотровой галереи не оканчивать у верха основания, а продолжать в основании на глубину около половины глубины цементационной завесы.
Вода водохранилища может проникнуть в бетон плотины и двигаться по его порам в сторону низовой грани. Такое движение воды может повести к выщелачиванию бетонной кладки, следовательно, его нельзя допускать; это достигается двумя мероприятиями: устройством но лицевой грани плотины плотной облицовки и дренажа за ней. Облицовка должна быть нс только плотной (т. е. водоупорной), но и крепкой, так как она должна противостоять действию мороза (при понижениях уровня воды водохранилища), ударам и трению льда, плавника, волнобою; она должна быть прочно и жестко соединенной с кладкой плотины, что необходимо для повышения се устойчивости при воздействии внешних сил, сейсма, колебаний температуры.
Лучшая облицовка — железобетонные плиты-оболочки (см. главу 22). далее укладка с вибрированием гидротехнического бетона высокого качества по верховой грани плотины, с содержанием цемента до 300—350 кг на 1 м3 бетона, слоем не менее 1 м наверху и около 0,1h от напора воды ниже. В качестве облицовки применяют торкрет-бетон в 2—3 слоя по металлической сетке с ячейками от 4 X 4 до 7,5 X 7.5 см. слоем 5—7 см наверху и 8— 10 см у подошвы плотины; сетка укрепляется на арматурных стержнях, закладываемых в бетон плотины через 1X1 м; полезно бетонные облицовки снаружи покрыть 2—3 слоями горячего битума.
Для небольших плотин применяется облицовка из естественных камней; но ввиду большой трудоемкости ее устройства, трудностей в подыскании прочных и морозостойких пород она применяется редко.
Дренаж за облицовкой устраивается в виде ряда вертикальных скважин, собирающих воду в верхнюю смотровую галерею, из которой вода выводится трубкой дренажа на низовую грань плотины или спускается в нижнюю галерею, что лучше, так как не вызывает охлаждения тела плотины зимой через выводную трубку и не портит внешнего вида низового откоса плотины. Между смотровыми галереями, независимо от верхней, устраивается дренаж из вертикальных скважин; расстояние между скважинами назначают 2—5 м, диаметр скважины 25 см. Дренажные скважины располагают не ближе 0,1h от верховой грани, где h — напор воды в рассматриваемом сечении, но не менее 2 м. Вместо скважин можно устанавливать во время кладки бетона трубы из пористого бетона или устраивать дренажные шахты диаметром 0,8 м или 0,8 X 1,0 м, проходящие от гребня до основания плотины. В качестве опалубки таких шахт устанавливаются также трубы или плиты из пористого бетона.
Рис. 17—4. Разрез по продольной оси водосливной плотины:
1 — смотровая галерея; 2 — лифт; 3 — спуск в галерею; 4 — конструктивные швы;
5 — температурные швы; 6 — контур цементационной замесы; 7 — поверхность основания.
Смотровые галереи. В плотинах высотой более 30 м устраивают не менее двух галерей, что создает большие удобства для устройства дренажа плотины и контроля его работы. Нижняя смотровая галерея должна быть достаточно широка (3,5—4,0 м) и высока, чтобы из нее можно было вести бурение цементационных и дренажных скважин; если наблюдения за работой дренажных скважин покажут чрезмерное усиление в какой-либо скважине притока грунтовых вод, то для ликвидации такого опасного явления скважину инъецируют из галереи и спустя некоторое время пробуривают другую (дренажную) вблизи зацементированной. Для обслуживания указанных работ полезно укладывать вдоль галереи узкоколейный путь. По концам галереи устраивают подъемные люки (лифты), а вдоль нее — ряд вертикальных вентиляционных колодцев (рис. 17—4). Смотровые галереи должны быть хорошо освещены, оборудованы контрольной аппаратурой, учитывающей фильтрационный поток, осадку плотины, ее напряженность.
Смотровые галереи ослабляют профиль плотины: наличие их должно быть учтено в расчете плотины; для восприятия повышенных напряжений, возникающих в окружающем галерею бетоне, вдоль се контура укладывается арматура.
Очертание профиля плотины. Очертание поперечного профиля глухой плотины, точно следуемое расчету, составляется из отрезков прямых, и только в случае высоких плотин очертание низовой грани может отступать от прямолинейного.
Верховую грань в зоне колебаний уровня водохранилища лучше делать вертикальной, а ниже — наклонной; при таком очертании грани истирание кладки льдом будет меньше; кроме того, выравниваются напряжения по подошве плотины при сработанном уровне водохранилища.
В основание плотина врезается тупыми зубьями, что способствует повышению ее устойчивости: помимо сил трения, сдвигу плотины будут сопротивляться силы сцепления бетона с основанием или силы срезывания зубьев основания или плотины. В расчет устойчивости вводится меньшая из трех последних сил.
Гребень глухой плотины устраивается всегда проезжим: относительно узким, когда предусматривается только эксплуатационное движение, и широким при более интенсивном движении через плотину. Формы гребня плотины показаны на рисунке 17—5.
В водосливных плотинах и плотинах с затворами гусек плотины устраивается по типу практических профилей (см. главу 22) с уступом (рис. 17—2) или с криволинейной вставкой (рис. 22—2), плавно сопрягающей низовую грань плотины с водобоем.
Швы плотины. Строительство бетонных массивных плотин ведется отдельными блоками, разделяемыми временными строительными (рабочими) швами, ликвидируемыми по мере возведения плотины.
Рис. 17—5. Формы гребня глухой гравитационной плотины.
Строительные или рабочие швы устраивают для разделения тела бетонной плотины на отдельные блоки, исходя из условия бетонирования. Так, на строительстве Цимлянской плотины Волго-Донского канала была устроена бетоновозная металлическая эстакада (в дальнейшем их будут строить из сборных железобетонных конструкций) с последующим наибольшим использованием ее частей в постоянных эксплуатационных мостах; наибольшие блоки бетонирования были: в водосливном плотине 1547 м3, в бычках 940 м3, в фундаментной плите 2480 м3 при средней величине по плотине 524 -м3. Разбивка на блоки бетонирования и марки бетона (по старому ГОСТ) водосливной плотины приведены на рисунке 17—6.
Рис. 17—6. Разбивка на блоки бетонирования и на марки бетона водосливной плотины.
По СП 123 — 60 предельные нормы расхода цемента в бетонной кладке должны составлять: в верхней части плотины (гребень на высоту 4—5 м), в наружном зоне со стороны напорной грани и в зубе плотины — 260 кг/м3; в наружной зоне низовой грани, смачиваемой переменным уровнем воды.— 275 и во внутренней зоне — 160 кг/м3.
Размеры строительных блоков определяются условиями твердения бетона и производственными соображениями, причем отдельные блоки должны быть расположены вперевязку. Поверхности продольных горизонтальных (рабочих) швов выполняются в форме штраб (с соответственными впадинами и выступами) для улучшения условий сопротивления бетона сдвигу.
На строительстве плотины Братской ГЭС (наибольшей высотой 125 м) была принята столбчатая разрезка вертикальными строительными швами через 13,8 м Ширина блоков бетонирования в отдельных частях плотины от 7 до 21 м. Высота типового блока 3 м.
Для уменьшения влияния усадки применяют искусственное охлаждение уложенного бетона при помощи металлических охладительных труб, которые закладывают в бетон и через которые пропускают охлажденную воду (4— 5о) от холодильной установки. Охлаждение обычно производится до тех пор. пока не установится одинаковая температура внутри бетонного массива и воды, движущейся по трубам.
Полезно применять низкотермичные цементы с уменьшенным выделением тепла в период схватывания. Слабая напряженность бетона и различие условий его работы в различных частях плотины обусловливают применение разных марок бетона внутри тела плотины и по ее периметру (рис. 17—6): морозостойкого — по низовой грани, водоупорного — по подошве и по верховой грани.
Плотину разделяют па отдельные крупные части постоянными вертикальными швами, перпендикулярными к ее оси, называемыми конструктивными. Такое разделение вызывается принятой системой строительства очертанием поперечного профиля створа плотины и учетом различия в осадках отдельных частей плотины, конструкциями сооружения, стремлением обеспечить независимость деформаций отдельных частей плотины друг от друга.
В пределах отдельной части плотины, ограниченной конструктивными швами, могут устраиваться температурные швы; в небольших сооружениях они совмещаются с конструктивными швами. Влияние колебаний температуры воздуха сказывается не на всей массе плотины, а на глубине 4—8 м. в зависимости от амплитуды колебания температуры воздуха, конструкций в размеров плотины. Температурные швы шириной 1,5—2,0 см устраивают через 12—15 л на глубину 10—12 м в бетонную кладку; расстояние между конструктивными швами выбирают около 25—50 м. Все швы должны быть антифильтрационны.
На рисунке 17—7 приведены горизонтальные разрезы конструктивных швов. В 2—4 м от напорной грани устраивается противофильтрационная шахта 1 круглого или квадратного сечения с гибкой пластинкой 2 из латуни или нержавеющей стали толщиной 2—Злл; шахту потом заполняют битумом. Для пополнения со временем битума и устранения в пем пустот через пего пропущена обогревательная трубка. На расстоянии около 3 м от первой шахты устроена вторая дренажная шахта 3, соединяющаяся со смотровой галереей. Размеры квадратных шахт обычно от 0,7 х 0,7 до 1,0 х 1,0 л. а круглых — 0,7—1,0 м в диаметре. Штрабы 4, хотя их часто делают, необязательны, а иногда оказываются даже вредными, вызывая образование трещин по основанию зубьев и в прилегающих частях плотины вследствие неодновременности процессов схватывания твердения бетона в смежных блоках, в результате чего образуются местные перенапряжения в одном блоке и недонапряжения в другом. Металлический лист не рекомендуется располагать в зоне сильных колебаний температуры (ближе 1,5 л от напорной грани); глубину штраб делают около 1 м, а длину — 3,5 м.
Па рисунке 17—7, б показана деталь конструкции шва массивной плотины высотой 60 м. В дренажном колодце 1 была предусмотрена возможность дополнительного уплотнения шва медной пластинкой 2, однако в эксплуатации шов оказался и без этого достаточно плотным благодаря железобетонной плите (пробке) 3 толщиной 10—15 см, уложенной на слое 4 проасфальтированной джутовой ткани. В качестве противофильтрационных мер с напорной стороны, кроме более жирного облицовочного слоя, применено торкретирование 5 и обмазка сидеритом.
1 Н. А. Огородников. Бетонные плотины Братской ГЭС. «Гидротехническое строительство» № 4, 1962.
В швах Днепровской плотины (рис. 17—7, в) водонепроницаемость достигается битумной квадратной шпонкой 1, расположенной на расстоянии 2.5 м от напорной грани и укладкой толя по всему периметру шва. Битум в шпонке разогревался паром через трубу 2 диаметром 5 см. заложенную в шпонку.
На рисунке 17—7, г противофильтрационным уплотнением служит медный лист 1 толщиной 4—6 мм; один конец листа заделан в штрабу блока 2, а другой в армированный зубец 3 соседнего блока. За уплотняющим листом расположена шахта 4, залитая асфальтом. В 2 м от напорной грани расположен дренажным колодец 5.
На рисунке 17—8 показан шов между быком и водосливом плотины. Быки и водосливы, расположенные на прочной скале, отделены друг от друга без устройства температурных швов на водосливе (пролетом 20 м). Стык быка и водослива выполнен с тремя штрабами, уплотнение достигается битумной шпонкой с обогревательной трубкой.
По условиям производства работ и пропуска расходов реки в строительный период способом гребенки быки возводят ранее водосливов, поэтому четвертую грань дрены устраивают из железобетонных плит толщиной 8 см, за которыми ведут кладку водослива. Для предупреждения проникания воды в стык спереди и сверху по контуру стыка укладывают непрерывную ленту из битумных матов. Использование в швах холодных асфальтовых мастик предотвращает оплывание и оползание мастиковых покрытий, нанесенных на вертикальные поверхности, что особенно существенное случае возведения сооружений в жарких районах1 .
Для сокращения объема бетона и уменьшения фильтрационного противодавления устраивают расширенные швы шириной 5 м и более.
