9.2. Бетонные плотины на нескальных основаниях
Возведение гидроузлов на Волге, Каме, Днепре, Оби и других крупных равнинных реках позволило накопить богатый опыт проектирования, исследований и строительства гидротехнических напорных сооружений на многоводных равнинных реках, протекающих в нескальных легко размываемых руслах с широкими пойменными и надпойменными террасами. Типовыми решениями в этих условиях являются гидроузлы с протяженными грунтовыми плотинами, с водосливными и среднего напора гравитационными бетонными плотинами и воспринимающими напор зданиями ГЭС. Значительное распространение получили водосливные плотины с поверхностными, а также донными отверстиями, позволяющими аккумулировать часть паводкового стока в водохранилище и увеличить глубину сработки, и напорные здания ГЭС, совмещенные с водосбросами. В табл. 9.1 приведены характеристики основных бетонных плотин на нескальных основаниях, построенных в СССР.
Напоры, воспринимаемые бетонными плотинами на нескальных основаниях, выросли от 13 м (Нижнесвирская ГЭС, построенная на девонских глинистых грунтах, введена в полную эксплуатацию в 1935 г.) до 35—40 м и более. Уже при создании первых гравитационных бетонных плотин наметилась тенденция обеспечивать устойчивость и прочность сооружения не только за счет увеличения объема, но также и за счет устройства анкерных понуров (впервые внедренных на Нижнесвирской ГЭС), выдвинутых в сторону верхнего бьефа мощных бетонных фундаментных плит, применения развитых дренажей и других инженерных решений (на Свирской, Иваньковской, Угличской, Каховской, Горьковской плотинах, плотинах Волжских ГЭС и других).
Рис. 9.1. Плотина Боткинского гидроузла.
1 — анкерный понур; 2 — тело плотины; 3 — водобой; 4 — рисберма; 5 — ковш; 6 — засыпка из гравийно-галечникового грунта; 7 — анкерная плита.
Уточнение методов расчета прочности, устойчивости и осадок бетонных сооружений на мягких грунтах на основе современных достижений механики грунтов и прикладной теории упругости и переход к проектированию по предельным состояниям позволили несколько снизить коэффициенты запаса, что было учтено при пересмотре технических условий и норм. В плотинах, осуществленных в конце 60-х годов и в последующие годы (Волжская имени XXII съезда КПСС, Боткинская ГЭС и др.), для повышения устойчивости сооружения в большей степени использовалась пригрузка водой и грунтом, а также другие конструктивные решения.
В бетонных плотинах на нескальных основаниях возникают незначительные напряжения сжатия (до 0,7—1,2 МПа), и поэтому в ряде сооружений стремятся к устройству пустотелых конструкций и к замене бетона во внутренних полостях каменным грунтом или оставлению полостей незаполненными при обеспечении допускаемых градиентов напора в напорных элементах плотины. Такое решение не препятствует нормальным условиям работы сооружения и снижает кубатуру бетона. На плотине Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС, сооруженной на песчаном основании, осуществлен водослив пустотелой конструкции, имеющий выдвинутую в верхний и нижний бьефы фундаментную плиту; полости в водосливе перекрыты сборными железобетонными балками. В водосливной плотине Боткинского гидроузла, сооруженной на глинах и алевролитах, устроены полости и исключена средняя часть фундаментной плиты (рис. 9.1). В бетонной гравитационной плотине с расчетным напором 24 м и строительной высотой 33,5 м, входящей в состав сооружаемого на Амударье Тюя-Муюнского равнинного комплексного гидроузла, предусмотрены в центральной части тела плотины полости, засыпанные камнем. Полости в теле Варцихской гравитационной плотины высотой 21,2 м также заполнены камнем. В Шамхорской водосбросной плотине высотой 40 м тело плотины значительно облегчено двумя рядами полостей, заполненных камнем.
Массивность бетонных водосливных плотин на нескальных основаниях последовательно снижалась также за счет некоторого повышения содержания арматуры, что экономически оказалось оправданным.
Рис. 9.2. Плотина Тюя-Муюнского гидроузла (разрез по водосливному пролету): 1 — полости, заполненные камнем; 2 — гасители; 3 — раздельная стенка между плотиной и ГЭС; 4 — цементационная завеса; 5 — железобетонные анкеры; 6 — ленточный дренаж.
Применение несущих армоконструкций и армобетонных плит с рабочей арматурой, устанавливаемых по наружной поверхности сооружений с последующим заполнением бетоном внутренних полостей (Каунасская, Волжская имени XXII съезда КПСС, Боткинская ГЭС и др.), также ускорило строительные работы. Водосливные плотины обычно осуществляются безвакуумного очертания или с допущением очень незначительного вакуума, так как размеры сооружения, как правило, определяются условиями устойчивости.
Подземный контур плотин на нескальном основании обычно включает понур, вертикальную преграду в виде шпунта, зуба или противофильтрационной завесы, а также вертикальный или горизонтальный дренаж. Схема и основные размеры элементов подземного контура выбираются по фильтрационному расчету плотин с учетом инженерногеологических условий основания. На глинистых и суглинистых грунтах часто применяются анкерные понуры, участвующие в сопротивлении сооружения сдвигу и проектируемые из жестких участков в виде железобетонной плиты с арматурой, заделываемой в сооружение, и гибких водонепроницаемых участков, которые воспринимают сдвиги и осадки, возникающие в месте контакта с анкеруемым сооружением.
Эксплуатационные наблюдения показывают эффективность применения вертикальных шпунтов и других противофильтрационных вертикальных преград для снижения фильтрационного противодавления и целесообразность совместного действия противофильтрационной завесы, дренажа и других мероприятий, позволяющих энергично снизить фильтрационное противодавление. Значительно развитый горизонтальный и вертикальный дренаж предусмотрен, например, в плотине Тюя-Муюнского гидроузла (рис. 9.2). В Чебоксарской водосливной плотине (рис. 9.3) противофильтрационный контур образован анкерным понуром длиной 31 м с гидроизоляцией полимерной пленкой и верховым зубом фундаментной плиты; гидродинамический напор снимается системой разгрузочных скважин.
Рис. 9.3. Плотина Чебоксарского гидроузла.
1 — плотина; 2 — понур; 3 — водобой; 4 — рисберма.
В водосливных плотинах на нескальных основаниях объем бетона в креплениях нижнего бьефа вследствие массивности и протяженности конструкций достигает 20—30% общей кубатуры бетона в сооружении, что частично является следствием:
удлинения рисберм в целях гашения в их пределах остаточной (после водобоя) кинетической энергии потока и перераспределения скоростей почти до нормальной их эпюры в бытовом русле;
излишнего иногда утолщения плит водобоев и рисберм вследствие учета в расчетах их прочности мгновенных значений пульсационных нагрузок и недоучета роли дренажей;
практического отсутствия учета в расчетах прочности и протяженности водобоев и рисберм, наличия гасителей, позволяющих снизить протяженность этих конструкций.
Удельные расходы в нижних бьефах водосливных плотин значительно увеличились и достигают 80—97 м3/с вместо ранее принимаемых 25—30 м3/с. Наилучшим образом сопряжение бьефов плотин на нескальных основаниях обеспечивается при донном режиме с устройством водобоев с гасителями различных типов, горизонтальной или наклонной рисбермы и концевого крепления в виде вертикальной стены, предохранительного ковша или сочетания этих конструкций.
В последние годы в СССР и за рубежом гидравлическими исследованиями при выборе оптимальной длины водобоя и рисбермы обосновывается переход от донного режима в условиях нормальной эксплуатации к сопряжению бьефов отброшенной струей при пропуске экстремальных расходов менее 1,0%-ной обеспеченности. Водобои, как правило, принимаются горизонтальными, хотя гидравлические исследования показали эффективность (даже с учетом некоторого увеличения кубатуры выемок) выполнения их в ряде случаев наклонными. В целях интенсивного гашения энергии и уменьшения длины крепления в плотине Тюя-Муюнского гидроузла предусмотрен наклонный водобой с уклоном 0,21, длиной 112 м, заканчивающийся зубом глубиной 10 м из железобетонных анкеров диаметром 500 мм, устраиваемых в шахматном порядке через 10 м.
В некоторых плотинах экономичность конструкций креплений нижнего бьефа достигнута устройством в конце рисбермы глубокого вертикального зуба. Так, на Каховской плотине, возведенной на мелкопесчаном основании, при относительно коротких водобоях и рисберме уст. роен глубокий зуб ячеистой конструкции из металлического шпунта, обеспечивающий надежную устойчивость конца рисбермы (рис. 9.4). Эксплуатация показала удовлетворительную работу этого сооружения. В плотине Новосибирской ГЭС, сооруженной на полускальных, сильно нарушенных породах, водобой имеет длину всего 35 м и заканчивается зубом с наброской за ним крупных камней (рис. 9.5).
На плотине Боткинской ГЭС применено комбинированное решение концевой части рисбермы в виде ковша с зубом, что позволило принять общую длину крепления равной 177 м (в том числе бетонной части 158,5 м) при удельном расходе 58 м3/с. Экономичное решение креплений нижнего бьефа принято на плотине Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (рис. 9.6): при удельном расходе 43,7 м3/с длина бетонной части крепления составляет 224 м, а полная длина крепления 244 м. Несмотря на относительно небольшую длину креплений на плотинах Боткинской и Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС содержание арматуры в них незначительно (15,1 и 18,5 кг/м соответственно).
Большое значение для облегчения конструкции водобоя имеют устройства, снижающие фильтрационное давление — развитый ленточный дренаж и дренажные скважины (колодцы) с выводами в нижний бьеф и промыв дренажа (при необходимости). Обследование гидротехнических сооружений действующих ГЭС привело к выводу о целесообразности предусматривать возможно большие размеры плит бетонных гибких креплений, надежное соединение их между собой и тщательный подбор дренажей и фильтров.
Рис. 9.4. Плотина Каховского гидроузла.
1 — водосливная плотина; 2 — анкерный понур; 3 — стальной шпунт; 4 — водобой; 5 — рисберма; 6 — зуб ячеистой конструкции из металлического шпунта.
Рис. 9.5. Плотина Новосибирского гидроузла.
1 — фундаментная плита; 2 — дренажные скважины; 3 — водобой; 4 — бетонный зуб.
Необходимо учитывать, что значительное количество разрушений происходит в результате размывов в нижнем бьефе за рисбермами или самих рисберм из-за неподготовленности оборудования к раскрытию водосливного фронта, что вызывает возникновение местных глубоких размывов (повреждения гибкой рисбермы плотины Дубоссарской ГЭС и др.).
При строительстве плотин на маловодопроницаемых грунтах уменьшение объема бетона иногда достигается за счет снижения противодавления воды в основании плотины устройством шпунтовых завес как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего бьефа и организации при необходимости постоянной откачки из дренажа плотины профильтровавшей воды. Система откачки воды должна быть при этом дублированной, автоматической и иметь аварийные независимые источники питания энергией.
Расчетные усилия, напряжения и количество арматуры в различных сечениях элементов плотины определяются в результате расчетов как общей прочности секций плотины, так и местной прочности отдельных элементов с учетом работы плотины как пространственной конструкции на упругом основании. Результаты расчетов, особенно для фундаментной плиты, в значительной мере зависят от принятых в расчете эпюры контактных напряжений. Для уменьшения усилий, возникающих в фундаментной плите от веса расположенных на ней бычков, и для выравнивания эпюр активных и реактивных нагрузок осуществляется раздельное возведение бычков и фундаментной плиты с последующим их омоноличиванием. Швы между секциями плотины выше фундаментной плиты выполняются обычно ступенчатыми широкими. Согласно СНиП П-54-77 температурно-осадочные швы принимаются шириной 1—2 см в пределах фундаментной плиты и водобоя и не менее 5 см выше фундаментной плиты плотины. Многолетними наблюдениями не установлено возникновение значительного навала одной секции на другую.
Обследование работы деформационных швов и уплотнений показало, что в них имеет место повреждение уплотнений из-за снижения текучести материала уплотнений вследствие несвоевременного их прогрева, плохой очистки полостей швов от строительного мусора и др.
Перспективно строительство плотин низкой и средней высоты из обжатого бетона или с предварительно напряженной арматурой, поскольку с их применением достигается экономия бетона и повышается монолитность сооружения. Желательно принимать такую разрезку сооружения в строительный период, которая позволила бы в процессе строительства влиять па характер распределения реакций основания, а при последующем замыкании секций сооружения получить жесткую, приспособленную к восприятию эксплуатационных знакопеременных нагрузок конструкцию без дополнительного армирования или других мер по усилению сооружения.
Фильтрационные расчеты включают расчеты фильтрационного потока под плотиной и расчеты фильтрационной прочности грунтов основания плотины в предположении, что на сооружение действует максимальный напор, соответствующий основному сочетанию нагрузок. Ширина водосливного фронта, очертание профиля водослива, береговых открылков креплений в нижнем бьефе определяются гидравлическими расчетами и лабораторными исследованиями, которые для сооружений I и II классов являются обязательными.
Рис. 9.6. Плотина Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС.
Таблица 9.2. Бетонные гравитационные и массивно-контрфорсные плотины на скальных основаниях
* В среднем по гидроузлу.
** Для бетона марок 150 и 200, В-8.
*** Для бетона марок 200, Мрз 300 и 200, Мрз 400.
