В туннельных станционных водоводах применяют различные конструкции монолитных и комбинированных обделок: железобетонные без металлической оболочки, обделки с внутренней стальной оболочкой и наружным монолитным бетонным или железобетонным кольцом и др. При выборе конструкции обделок для конкретных условий проектируемой станции учитывают величину расчетного внутреннего давления воды (расчетного напора), размеры водовода, геологическое строение породы, в которой размещается водовод, глубину расположения водовода относительно поверхности земли и другие факторы.
Расчеты обделок производят по методу предельных состояний в соответствии со СНиП 2.06.09-84, СНиП 2 — 56-77 и СНиП 2 — 23 — 81: по несущей способности на прочность и в необходимых случаях с проверкой устойчивости формы конструкции; по образованию трещин (трещиностойкости), если трещины не допускаются, или по раскрытию трещин, если раскрытие ограничено по условиям долговечности обделки туннеля, по сохранности грунтового массива, а также по значению фильтрационного расхода воды из туннеля. Расчет обделок по несущей способности выполняют на возможные наиболее неблагоприятные основные и особые сочетания расчетных нагрузок с применением расчетных характеристик материалов обделок. Расчет обделок по образованию и раскрытию трещин выполняют на основные сочетания нормативных нагрузок без учета гидравлического удара (с применением нормативных характеристик материалов обделок). Расчеты обделок выполняют с учетом отпора грунтов (за исключением расположения туннелей в слабых неустойчивых грунтах). Нагрузки, и воздействия принимаются в соответствии со СНиП 2.06.09-84.
Обделки станционных водоводов с внутренней несущей стальной оболочкой и наружным монолитным бетонным кольцом рассчитывают на прочность и устойчивость. При определении толщины обделок расчеты обычно выполняют для отдельных участков водовода. Толщину стальной оболочки, как правило, принимают переменной по длине водовода. Для разных участков водовода внутренняя стальная оболочка может изготовляться из стали различных марок. Если на скалу можно передать часть нагрузки от внутреннего давления воды, то при расчете стальной оболочки на прочность учитывают упругий отпор породы. Для принятия в расчетах обоснованного распределения нагрузок между обделкой и породой обычно проводят исследования прочностных и деформационных свойств породы. Нормальная эксплуатация Обделки будет зависеть не только от прочности скалы, но и от качества бетона, расположенного между оболочкой и породой, плотности его укладки, обеспечивающей хорошее примыкание бетона к оболочке и породе. Для обеспечения плотного контакта между бетоном и внутренней металлической оболочкой, а также между бетоном и окружающей породой производят заполнительную цементацию. В процессе проходки туннелей водоводов в породе вокруг выработки обычно образуется зона разгрузки и повышенной трещиноватости. Поэтов му при сооружении обделок станционных водоводов и особенно обделок, предусматривающих передачу части внутреннего давления воды на скалу, как правило, проводят укрепительную глубинную цементацию прилегающей к обделке породы. Укрепительная цементация производителя после замыкания обделки водовода по всему контуру и проведения заполнительной цементации. Обычно укрепительная цементация проводится в несколько этапов с постепенным увеличением глубины скважин, через которые осуществляется цементация, и повышением давления, при котором цементный раствор нагнетается в породу.
При определении толщины стальной оболочки туннельного станционного водовода учитывают не только действие внутреннего давления воды, но и действие наружных нагрузок — давление грунтовых вод и нагрузок, связанных с проведением цементации породы. Внешние нагрузки могут быть весьма существенными, поэтому обычно проводят специальные расчеты для определения устойчивости оболочки от этих нагрузок. Иногда для обеспечения устойчивости на внешней стороне оболочки приваривают кольца (ребра) жесткости. Сварку отдельных звеньев оболочки, как правило, производят на открытых площадках, затем готовые звенья доставляют в туннельные выломки, где их соединяют друг с другом при помощи электросварки кольцевыми швами и бетонируют.
Для снижения давления на оболочку грунтовых вод в некоторых случаях (особенно при высоком давлении грунтовых вод) производят дренаж прилегающих к водоводу слоев породы. Применяют различные конструкции дренажных устройств: устраивают специальные дренажные галереи вдоль лотка облицовки турбинных водоводов; применяют «шпуровой дренаж», позволяющий при помощи глубинных скважин, расположенных около водовода, в сочетании с отводящими устройствами обеспечить снижение давления грунтовых вод: устраивают дренаж из продольных или поперечных кольцевых труб с проницаемой поверхностью, расположенных по длине станционного водовода на внешней стороне оболочки по контакту с породой и др.
Обделки станционных водоводов с внутренней противофильтрационной стальной оболочкой и наружным несущим железобетонным кольцом. В некоторых случаях при сооружении станционных водоводов больших диаметров, рассчитанных на работу при значительном внутреннем давлении, обделки водоводов делают в виде внутренней тонкой стальной оболочки и наружного железобетонного кольца (из обычного или предварительно напряженного железобетона), которое воспринимает основную часть расчетных усилий. При достаточно прочной породе, окружающей водовод, расчеты на прочность производятся с учетом упругого отпора породы. Внутренняя стальная оболочка в данной конструкции в основном выполняет противофильтрационные функции, поэтому ее изготовляют обычно из достаточно тонкой мягкой листовой стали, имеющей относительно большую площадку текучести, что снижает опасность возникновения трещин в металле от сварочных и температурных напряжений.
Статические расчеты железобетонного кольца на внутреннее давление воды выполняются методами теории упругости. На основании этих расчетов определяется количество рабочей арматуры и принимается схема ее расположения в кольце. Расчеты выполняют для отдельных участков водовода, имеющих различное внутреннее давление, поэтому по длине водовода количество устанавливаемой рабочей арматуры различно. От внешнего давления воды внутренняя противофильтрационная стальная оболочка защищается при помощи дренажа.
Рис. 30.15. Конструктивные схемы облицовок туннельных водоводов с тонкими эластичными оболочками: а — облицовка со стальной гофрированной оболочкой: б — двухслойная бетонная облицовка с внутренней оболочкой из гофрированной стали; в —оболочка из гофрированной медной фольги; 1 — металлическая прокладка; 2 — стальная оболочка; 3 — внутреннее бетонное кольцо; 4 — медь; 5 — гофра; 6 — специальный битум
Конструкции обделок станционных водоводов данного типа аналогичны конструкциям обделок напорных деривационных туннелей (§ 28.4).
Обделки туннельных станционных водоводов с противофильтрационными тонкими эластичными оболочками. Наряду с распространенными типами обделок туннельных станционных водоводов с гладкостенной металлической оболочкой применяют обделки с тонкими водонепроницаемыми эластичными оболочками. Особенность конструкции обделок данного типа заключается в способности тонких эластичных оболочек сохранять водонепроницаемость при образовании в бетоне, расположенном между эластичной оболочкой и массивом породы, мелких трещин от действия внутреннего давления воды.
В качестве примера на рис. 30.15,а представлены противофильтрационные обделки станционных водоводов трех гидроэлектростанций Италии, построенных в 1925 г.. Оболочка из тонкого гофрированного металла успешно работает при столь высоких напорах в связи с тем, что имеет возможность без нарушения прочности металла увеличивать диаметр за счет спрямления (уплощения) гофр даже в случае некоторой податливости породы. Устойчивость тонкой эластичной металлической оболочки обеспечивается за счет применения дренажа, разгружающего оболочку от внешнего давления воды. В некоторых случаях эластичная металлическая оболочка располагается внутри бетона (рис. 30.15,б).
В конструкциях обделок высоконапорных водоводов, разработанных в последнее время, наряду с тонкой листовой сталью в качестве противофильтрационной защиты рекомендуется применять эластичные оболочки, выполненные из флексолита (двухслойная гофрированная медная фольга толщиной 0,1 — 0,2 мм, покрытая с двух сторон специальным битумом, рис. 30.15,в), полиэстера (пластмасса, армированная стекловолокном), ставинила (сталь, покрытая поливинилхлоридной пленкой) и других материалов. Эти оболочки, изготовленные в виде широкой (около 0,7 — 1 м) гофрированной ленты, спиральными кольцами покрывают внутреннюю поверхность бетона, примыкающего к породе; с внутренней стороны водовода они защищаются слоем бетона или торкрета.
Обделки с эластичными оболочками могут успешно работать только в том случае, если водоводы располагаются в достаточно прочной породе, воспринимающей полностью внутреннее давление воды, если обеспечена надежная работа дренажа, полностью снимающего внешнее давление воды, и если работы по сооружению облицовок выполнены с высоким качеством при полном соблюдении технологических требований.
Туннельные станционные водоводы без обделок. При расположении станционных водоводов в прочной скальной породе их стенки в некоторых случаях оставляют необлицованными, а стальную оболочку устанавливают только на участках сопряжения водоводов с уравнительными резервуарами, в местах расположения разветвлений и затворов, на участках подхода водоводов к турбинным камерам.
При сооружении необлицованных станционных водоводов большое внимание уделяют тщательному выполнению буровзрывных работ при проходке туннеля с целью получения более ровной поверхности скалы. Иногда для уменьшения потерь напора и фильтрации устраивают выравнивающую обделку туннеля из набрызг-бетона.
