5-4. КОНСТРУКЦИИ ЭКРАНОВ КАМЕННОНАБРОСНЫХ ПЛОТИН
Деревянные и деревобитумные экраны.
Водонепроницаемость первых каменнонабросных плотин достигалась деревянными экранами. В дальнейшем деревянные экраны с успехом применялись на ряде плотин, построенных в высокогорных районах. При хорошем выполнении деревянный экран, постоянно находясь под водой, представляет собой конструкцию водонепроницаемую, лишенную температурных деформаций и обладающую достаточной гибкостью. Поэтому для плотин, где потери воды на фильтрацию в первые годы эксплуатации не являются решающими, следует рассматривать при наличии необходимых лесных материалов возможность применения деревянных экранов. Деревянный экран можно рекомендовать для средних и высоких плотин в условиях севера и высокогорных районов, где древесина хорошо сохраняется, а также для каменнонабросных плотин, когда ожидается значительная осадка. Деревянный экран применяется и временно на период работы плотины, пока ее осадка полностью не стабилизируется. Так, на плотине Когсвил был применен временный деревянный экран до восстановления разрушенного железобетонного экрана.
При использовании доброкачественных лесоматериалов, пропитанных нерастворяющимися в воде антисептиками, и применении гидроизоляции можно гарантировать 50-летний срок службы деревянного экрана. Такой срок подтверждается опытом эксплуатации деревянных экранов на плотине Бивер Ривер. Эксплуатация плотин Сабрина и Хилсайд показывает, что периодическая реконструкция деревянных экранов является оправданной по сравнению с устройством железобетонных. Ежегодные расходы на эксплуатацию временного экрана на плотине Когсвил составили около 2,0% его стоимости.
Основным преимуществом деревянных экранов является гибкость, позволяющая воспринимать значительные осадки, и малая водопроницаемость. На плотине Когсвил фильтрация через временный деревянный экран за 3 года его работы уменьшилась с 3500 до 310 л/с. Фильтрация через экран Малоульбинской плотины в первый же год эксплуатации, в зависимости от уровня воды в водохранилище, изменялась в пределах 10—30 л/с.
Недостатком деревянных экранов является их пожароопасность при опорожненном водохранилище. Известен случай, когда из-за небрежного обращения с огнем сгорел экран плотины Сабрина.
Наиболее совершенные конструкции деревянных экранов получили развитие в Советском Союзе, и наибольший интерес представляют конструкции деревянных экранов Широковской и Малоульбинской плотин. Экран Малоульбинской плотины толщиной 50—70 мм выполнен из трех рядов досок с прокладкой между ними двух слоев битумных матов. Доски через 1,5 м с обеих сторон схвачены брусьями и стянуты болтами. Во избежание общей деформации экрана при разбухании дерева доскам первого слоя придан соответствующий профиль, а у досок второго и третьего слоя, взаимно связанных нагелями, сняты углы для уменьшения площади смятия их ребер. Однако такая предосторожность оказалась излишней. Экран Малоульбинской плотины в силу его жесткости из-за скрепления нагелями отдельных рядов досок, уложенных вплотную, без зазоров, претерпел деформацию от набухания древесины, что привело к его вспучиванию.
Временный деревянный экран на плотине Когсвил состоит из трех рядов досок сечением 5x25 см, уложенных горизонтально по откосу и стянутых болтами с помощью брусьев в подэкрановой кладке. С учетом последующей осадки плотины доски в экране уложены с торцовыми зазорами от 25 до 100 мм и постоянными боковыми зазорами по 60 мм. Зазоры одного ряда досок перекрываются досками другого ряда.
Деревянный экран укладывается по подготовке, выполняемой обычно из бетона марки 100, толщиной до 0,3 м. На пологих откосах укладка подготовки предшествует монтажу экрана, а на крутых производят одновременно с монтажом экрана, используя последний как опалубку при бетонировке подэкрановой подготовки.
На основании опыта эксплуатации плотин с деревянным экраном необходимо соблюдать следующие рекомендации: на плотинах, где ожидается осадка, доски в экране должны укладываться с зазорами, заполняемыми битумом. Размеры этих зазоров необходимо определять в соответствии с ожидаемой осадкой. Плотная (шпунтовая) пригонка досок в экране может быть применена только на плотинах, где осадка практически прекратилась (плотина Сабрина после реконструкции экрана) или ожидается очень малая (Малоульбинская плотина). Во избежание вспучивания деревянных экранов не рекомендуется доски отдельных слоев скреплять нагелями.
Деревянные экраны плотин, водохранилища которых срабатываются зимой и имеют к тому же тяжелый ледовый режим, должны быть защищены от повреждения льдом. В настоящее время из-за большой трудоемкости и малой механизации работ деревянные экраны практически не применяются.
Железобетонные экраны.
Такие экраны нашли наиболее широкое применение в каменнонабросных плотинах. Они состоят из плиты, уложенной по откосу и заделанной в зуб. Толщина экрана переменная и изменяется с высотой плотины. Экран разрезается на отдельные плиты температурными швами в вертикальной плоскости и осадочными в плоскости, перпендикулярной откосу плотины. Исключением является криволинейная в плане плотина Бьюкс-Крик с железоторкретным неразрезным экраном. Если экран разрезан только температурными швами, то такая конструкция называется жесткой. Она обычно применяется в плотинах из каменной отсыпки. Если экран разрезан температурными и осадочными швами, то такая конструкция называется полужесткой. Она применяется в каменнонабросных плотинах.
Рассматривая экран как жестко заделанную в зуб плиту, нагруженную давлением воды, и зная вертикальную осадку плотины, можно определить допустимую осадку, которую может воспринять экран в пределах его упругих деформаций. Однако если учесть неопределенность работы жесткого экрана, то полученную такими расчетами толщину следует принимать приближенной. В каменнонабросных плотинах толщина экрана по основанию обычно принимается равной 1,0% высоты плотины, в отдельных случаях 0,5—0,6%, а у гребня, по конструктивным соображениям, равной 0,20—0,30 м.
На многих высоких каменнонабросных плотинах с железобетонным экраном появлялись трещины и как следствие повышенная фильтрация во время первого заполнения водохранилища. Даже на плотине Нью-Эксчекер, выполненной из каменной отсыпки, в железобетонном экране при первом заполнении водохранилища появились трещины, вызвавшие фильтрацию до 10 м3/с. Искусственный кольматаж за счет отсыпки по откосу 2000 м3 шлака и песчано-гравелистого грунта, смешанного с бентонитом, позволил уменьшить фильтрацию до 0,3 м3/с.
На некоторых каменнонабросных плотинах США, отсыпанных из камня высокими ярусами с гидравлическим уплотнением, с подэкрановой сухой кладкой произошли неравномерные деформации наброски, что привело к растрескиванию железобетонных экранов (плотина Солт Спрингс), а в некоторых случаях к разрушению экрана (плотина Кортрайт).
Плотина Кортрайт высотой 90,0 м построена в 1958 г. в глубоком и узком несимметричном каньоне, имеет длину 275 м и отношение L:H=3,0. Одновременно по аналогичному проекту и из подобного камня строилась плотина Уишон (см. рис. 4-12,а) высотой 79,0 м в широкой долине, для которой отношение L:H=7,3. Плотина Кортрайт построена из высокопрочного камня — гранита, но в нижний (русловой) ярус отсыпан и выветрелый камень из вскрыши карьера. В первые 4 года эксплуатации наблюдалась обычная фильтрация, которая, однако, увеличивалась и достигла в 1968 г. 4,2 м3/с. Фильтрация не угрожала надежности плотины, но сказывалась на потерях воды из водохранилища и развитии деформаций плотины. Показания контрольно-измерительных приборов на плотине за 10-летний период наблюдений позволили установить картину ее деформаций, а послестроительная осадка плотины достигла 2,05 м, или 2,3%. Осадка плотины Уишон за тот же период была 1,83 м.
Хотя осадка плотины Кортрайт и не была чрезмерной, ее максимум приходился на нижнюю часть.
Для осмотра состояния экрана водохранилище в 1968 г. было опорожнено. Осмотр осушенного экрана показал наличие его повреждений, особенно зоны периферийных плит; в большинстве плит нижней части экрана их верха были подняты и оторваны от подэкрановой кладки; часть плит была оторвана и от бетонного зуба; арматура и листовые медные шпонки между плитами были порваны, а бетон не только растрескан, но и местами разрушен. Все повреждения следовали характеру осадок плотины и конфигурации крутых склонов каньона.
Изучение характера деформаций, их сопоставление с деформациями других плотин, строения каньона, примененного в наброску камня и характера повреждений экрана позволили установить причины разрушений. Повышенной осадке (свыше 2%) способствовали выветрелый камень в нижней части наброски, крутые склоны каньона, которые сдерживали горизонтальные деформации смещений, и фильтрация через экран.
Программа ремонта, рассчитанная на выполнение за два сезона, предусматривала переустройство той части экрана, где бетон был разрушен, восстановление шпонок в швах между плитами — создание дополнительного водонепроницаемого покрытия в нижней, наиболее поврежденной части экрана.
Сравнение деформаций плотин Уишон и Кортрайт показало, что относительные их осадки практически одинаковы, но горизонтальные смещения на плотине Уишон были значительно большими, чем на Кортрайт, и даже больше, чем на плотине Солт Спрингс, однако деформации плотины Уишон не потребовали выполнения ремонта экрана. Таким образом, повышенная деформация каменной наброски, отсыпанной высокими ярусами с гидравлическим уплотнением, и жесткость подэкрановой кладки в сочетании с конфигурацией береговых склонов являются основными причинами повреждения железобетонных экранов таких плотин.
Проведенные лабораторные исследования каменной наброски и аналитические расчеты методом конечных элементов ее деформаций позволили установить следующее:
а) отношения коэффициента Пуассона к главным напряжениям не зависят от свойств камня;
б) отношения модуля упругости к главным напряжениям изменяются с изменением свойств камня;
в) определение модуля упругости на приборах трех- и одноосного сжатия дают вполне согласованные результаты;
г) соотношение главных напряжений (в предельном состоянии) в значительной мере зависит от пористости наброски и трения поверхностей кусков камня;
д) расчеты методом конечных элементов хорошо отражают условия каменной наброски, в которой появляются деформации растяжения, в то время как напряжения повсеместно остаются сжимающими;
е) расчеты и сопоставления с данными фактических наблюдений за деформациями в каменнонабросных плотинах показывают, что напряжения и деформации в железобетонных экранах зависят от свойств камня в плотине, соотношения жесткостей экрана и подстилающей подэкрановой кладки, а также ползучести деформаций.
За последние 10 лет произошли усовершенствования конструкций железобетонных экранов, а также методов производства работ по строительству каменнонабросных плотин. Эти усовершенствования развивались в направлении:
а) устранения повышенных осадок каменной наброски за счет соответствующего подбора состава камня и его уплотнения укаткой виброкатками, а также замыва пор в наброске песком;
б) замены трудоемкой и маломеханизируемой подэкрановой сухой кладки подэкрановой подготовкой из щебня или мелкого камня с виброуплотнением;
в) придание железобетонному экрану большей гибкости и водонепроницаемости за счет уменьшения его толщины, преднапряженного армирования (плотина Скалка), применения лучшей разрезки и гидроизоляции (плотины Контрада-Сабетта и Рама).
Рис. 5-14. Плотина Канд.
1 — железобетонный экран 0,50—0,40 м; 2 — подэкрановая подготовка из виброуплотненного щебня; 3 — каменная отсыпка слоями по 1,0 м с виброукаткой; 4 — каменная наброска слоями 2,0 м; 5 — бетонный зуб и противофильтрационная завеса; 6 — скала.
Примером усовершенствованных конструкций каменнонабросных плотин с железобетонными экранами могут быть плотина Канд высотой 46,0 м (рис. 5-14), плотина Фад высотой 68,0 м, а также плотина Фынтынели высотой 92,0 м. На первых двух плотинах подэкрановая подготовка и верховая призма, воспринимающая гидростатическое давление, выполнены из отсыпки щебня, а низовая призма как пригрузка выполнена из каменной наброски с гидроуплотнением. При одинаковых верховых откосах обеих плотин 1:1,5-1:1,3 толщина экранов принята на плотине Канд 0,5— 0,4 м и Фад 0,6—0,4 м при одинаковой их разрезке со шпонками в швах из профилированной резины.
Особенностью плотин Палуна высотой 40 м (рис. 5-15,а) и Сетана высотой 110 м (рис. 5-15,б) является зональная отсыпка камня слоями 0,90—1,35 м с виброукаткой; наличие подэкрановой подготовки из мелкого камня, уложенного слоями 0,45 мм, уплотненного также виброукаткой; разрезка экрана только поперечными швами на всю высоту плотины на отдельные плиты шириной 12,0 м. Толщина экрана, армированного двойной арматурой (0,73%), 0,5—0,3 м.
На плотине Палуна каменная отсыпка в зоне низового откоса армирована на всю высоту с расчетом, что при ее затоплении можно пропустить паводок 850 м3/с, с толщиной переливающегося слоя 2,38 м. На плотине Сетана только нижняя часть откоса покрыта арматурной сеткой в расчете ее затопления во время строительства. В швах между плитами уложены шпонки из листовой меди с резиновыми прокладками. Осадка плотины Сетана при заполнении водохранилища была всего 18 мм, а фильтрация 20 л/с.
Рис. 5-15. Плотины Палуна (а) и Сетана (б).
1 — каменная отсыпка; 2 — подэкрановая подготовка из укатанной отсыпки камня: 3 — железобетонный экран, разрезанный поперечными швами; 4 — армированная каменная насыпь; 5 — зуб; 6 — противофильтрационная завеса; 7 — перемычка; 8 — скала.
На плотине Нью-Эксчекер (см. рис. 4-18) железобетонный экран толщиной 0,76 м с двойной арматурой разрезан швами с резиновыми шпонками. На береговых склонах (выше существующей плотины) экран сопрягается с бетонным зубом двойным швом.
Плотина Рама (рис. 5-16) по условиям сопряжения с береговыми склонами имеет S-образную ось и железобетонный экран, сопрягающийся гибким и водонепроницаемым швом с бетонным зубом, где предусмотрена цементационная и дренажная потерны.
Плотина Рама высотой 103,0 м построена в достаточно сложных геологических условиях, которые представлены закарстованными известняками, глинистыми известняками, тектонически нарушенными рядом сбросов. Это потребовало выполнения противофильтрационной завесы глубиной до 195 м с врезками на берегах площадью 86,5 тыс. м2 и расходом цемента 41,5 кг/м2. Вдоль русла, частично покрытого плотно слежавшимся аллювием, проложена дренажная галерея, в которой производились измерения фильтрации через плотину и осадок ее основания, которые только под нагрузкой от плотины достигли к концу постройки 520 мм.
Железобетонный экран принят по экономическим соображениям (минимальный объем плотины) и срокам строительства плотины, не связанным с климатическими условиями выполнения работ. Экран состоит из отдельных плит размером 13X12 м, в швах которых предусмотрены шпонки из профилированной резиновой ленты шириной 23 см. Швы между плитами шириной 30—50 мм заполнены гибким синтетическим материалом и битумной мастикой специального состава. Экран с расходом арматуры 60 кг/м3 отделен от тела плотины бетонной подготовкой, а с зубом сопрягается контурными плитами высотой 3,0 м на склонах выше отметки 545,5 м и двойными такими плитами ниже этой отметки на склонах и в русле. Такая конструкция экрана позволяет ему, следуя в общем за деформациями, тела плотины, воспринимать локальные деформации откоса.
Для уменьшения осадки камень в тело плотины отсыпался слоями по 1,5 м, поливался водой из расчета 250 л/м3 и уплотнялся за 8—10 проходов 10,5-тонного виброкатка. Осадка плотины перед заполнением водохранилища составляла 0,55%, а после заполнения на высоту 77,5 м возросла до 0,77%.Плотина Рама объемом 1450 тыс. м3 камня и 20,5 тыс. м3 железобетона была возведена за 3 года. Использование для отсыпки плотины посредственного по качеству камня со средней прочностью 57 МПа вполне себя оправдало.
Основные данные по каменнонабросным плотинам с железобетонными экранами приведены в приложении III.
В целях уменьшения осадки плотины наблюдается тенденция к выполнению их не из наброски, а из каменной насыпи, отсыпаемой тонкими слоями с уплотнением виброукаткой. Это хотя и повышает стоимость плотины, но открывает большие возможности к использованию посредственного по качеству камня, который для каменной наброски может быть и непригодным.
Одновременно с усовершенствованием методов уплотнения наброски совершенствовались и конструкции экранов: появилась многослойная гибкая конструкция железобетонного экрана. Однако эта конструкция на плотине Когсвил себя не оправдала и только потому, что произошла чрезмерная осадка наброски ввиду ее отсыпки без гидроуплотнения. На плотине Каготи такая конструкция себя полностью оправдала, и потери фильтрации составляли через экран 400—500 л/с.
Экраны армируются одиночной, заложенной в центре сечения, или двойной арматурой. Глубина заложения арматуры должна быть не менее 5 см. Ввиду неопределенности работы экрана при осадке плотины его арматура обычно принимается одинаковой для обоих направлений. Насыщенность арматурой принимается от 0,5 до 1,0% и остается постоянной для всего экрана или возрастает с глубиной, тогда вместо одиночной арматуры укладывается двойная. Чтобы исключить возможность отслаивания экрана от подэкрановой кладки, арматуру связывают с анкерами, заделанными в кладку через 1,2—1,5 м. Водонепроницаемость жестких экранов достигается не столько железобетонной плитой, монолит которой при осадке может нарушиться, сколько применяемыми при подготовке основания под экран гидроизоляционными покрытиями и защитными устройствами экрана.
Плиты экрана выполняются из плотного, водонепроницаемого и морозостойкого бетона марки не ниже 200, В-6, Мрз-100. Бетон обычно приготовляется на многофракционном составе песка и щебня крупностью до 40 мм, на низкотермичном цементе марки не ниже 400, с добавками для повышения его водонепроницаемости и с водоцементным отношением не выше 0,55. Бетон проверяется исследованием на водопроницаемость с
см/с.
Рис. 5-16. План (а) и профиль (б) плотины Рама.
1 — плотина; 2 — водослив; 3 — строительный туннель; 4 — деривационный туннель; 5 — здание наблюдательной станции; 6 — противофильтрационная завеса; 7 — дренажная галерея; 8 — цементационная потерна; 9 — подэкрановая кладка; 10 — железобетонный экран толщиной 0,9—0,3 м; 11 — известняки.
Рис. 5-17. Плотина Скалка.
1 — каменная наброска; 2 — укатанный слой щебня толщиной 1,0 м; 3 — железобетонный экран толщиной 0,25 м; 4 — гравийно-песчаный фильтр; 5 — кладка с подбором камней; 6 — растительный грунт; 7 — бетонный зуб и противофильтрационная завеса; 8 — отвал грунта; 9 — аллювий; 10 — скала.
Для большей водонепроницаемости железобетонных экранов они покрываются жирными цементными растворами на крупнозернистом песке, а для торкрета принимаются смеси состава обычно 1:3.
Рис. 5-18. Железобетонный экран плотины Скалка.
а — детали экрана; б — тросовая арматура перед ее бетонированием в экране; 1 — каменная наброска плотины; 2 — подготовка из укатанного щебня; 3 — бетонная подготовка; 4 — плита 0,2 м железобетонного экрана; 5 — преднапряженная тросовая арматура; 6 — резиновая шпонка; 7 — уплотнение губчатой резиной; 8 — бетонный зуб.
Рис. 5-19. Схема слоистого экрана плотины Коготи.
1 — нижние плиты переменной толщины; 2 — швы нижних плит; 3 — непрерывная арматура; 4 — верхние плиты постоянной толщины; 5 — шов, заполненный битумом; 6 — поверхность плиты, покрытая битумом; 7 — медная шпонка; 8 — анкер; 9 — закрепительная балка, установленная через каждые два ряда плит; 10 — отверстия.
На каменнонабросной плотине Скалка (рис. 5-17) высотой 17,0 м уложено несколько- опытных неразрезных железобетонных преднапряженных плит (рис. 5-18,а). Плиты размером 0,2x32x3,25 м армированы тремя плетями преднапряженной арматуры, оба конца которых (рис. 5-18,б) выведены на гребень плотины. Арматура представляет собой трос, сплетенный из 7 витков 7 проволок диаметром 4,5 мм, уложенный в гофрированные трубы, заполненные раствором после их натяжения. Экран уложен на подэкрановую подготовку из уплотненного щебня, покрытого бетоном толщиной 5 см.
Гибкие конструкции железобетонных экранов применялись в каменнонабросных плотинах, построенных в сейсмических районах. Они представляют собой слоистую железобетонную конструкцию и должны воспринимать значительные деформации от осадки наброски и возможных сейсмических ударов. Гибкий железобетонный экран слоистой конструкции (рис. 5-19) был применен на плотине Коготи, а затем на плотине Когсвил.
Каждый из слоев экрана состоит из отдельных, несвязанных квадратных железобетонных плит от 3,0 до 9,0 м и толщиной от 0,08 до 0,18 м. Число слоев плит в экране остается постоянным (плотина Коготи) или возрастает от двух у гребня до пяти у основания (плотина Когсвил). Число слоев плит в экране, а также толщина их зависят не только от высоты плотины, но также от их выполнения. Так, на плотине Когсвил первоначальный экран выполнен из торкрета состава 1:5,5 и плит размером 9,15X9,15X0,15 м. При использовании торкрета при одинаковой толщине плит допускается меньшее их число. Армирование плит составляет 0,5%. Отдельные плиты внутренних слоев экрана укладываются с зазорами между ними — зазоры имеют постоянный размер (25 мм) в горизонтальном направлении. Для того чтобы увеличить гибкость экрана в вертикальной плоскости, зазоры между плитами увеличены с 25 мм у гребня до 100 мм у основания плотины. Все плиты верхнего слоя экрана соединены гибкими и водонепроницаемыми швами. Ввиду того что плоскости контакта между отдельными слоями плит являются одновременно плоскостями скольжения, их подвергают тщательной обработке для создания ровной поверхности, а также покрывают несколькими слоями горячего битума. Такая пластичная прослойка толщиной около 4 мм увеличивает водонепроницаемость экрана и уменьшает трение между отдельными слоями плит в экране. Связь между отдельными плитами всего экрана с подэкрановой кладкой достигается анкерами.
Расстояние между швами должно быть согласовано с конструкцией экрана, формой ущелья, характером наброски и условиями строительства плотины. Обычно температурные швы через 15—18 м проходят по всему откосу от гребня до зуба. При строительстве плотины в условиях резкого сужения каньона книзу (плотины Шинг Мун и Мальпасо), когда экран представляет собой по существу бетонную пробку, нет оснований разрезать его температурными швами до зуба. Назначение расстояния между осадочными швами через 18—25 м всецело зависит от размеров отдельных плит экрана, очертания верхового откоса, а также формы склонов ущелья.
Подвижки экрана вдоль оси плотины, вызванные ее осадкой, как правило, незначительны, а потому температурные швы не требуют обеспечения гибкости большей, чем обусловлена температурными деформациями. Наоборот, осадочные швы должны быть более гибкими. При осадке плотины ее откосы уменьшаются и отдельные плиты экрана стремятся сдвинуться или надвинуться одна на другую.
Основные требования, которые должны быть предъявлены к швам, — это их подвижность, гибкость и водонепроницаемость. Толщина температурного шва принимается от 30 до 50 мм, а осадочных — от 50 до 75 мм. Водонепроницаемость и гибкость швов достигаются применением U-образного противофильтрационного листа, медного или из нержавеющей стали, края которого заделываются в бетонную кладку сопрягаемых плит. Такой лист проходит вдоль всего шва и заделывается в зуб плотины. В местах пересечения горизонтальных швов с вертикальными противофильтрационные листы свариваются. Однако более эффективным является заделка в швах гибких шпонок из листовой профилированной резины (плотины Скалка, Фад и Канд).
Кроме противофильтрационных шпонок швы заделываются снизу упругими и водонепроницаемыми материалами, а с поверхности битумными мастиками, состав которых подбирается. с учетом климатических условий эксплуатации плотины.
На рис. 5-20 даны конструкции различных швов, примененных в экранах плотин Куойч, Парадела, Канд. Подобные конструкции швов повторены в экранах плотин Сассьер, Фад и Фынтынели.
Переход наклонного железобетонного экранa, подвергающегося деформациям при осадке, в жесткий зуб каменнонабросной плотины является ответственной конструкцией. Во избежание появления трещин он выполняется разрезным или гибким. Более распространенной является разрезная конструкция — устройство вдоль зуба по контуру профиля ущелья обычного осадочного водонепроницаемого шва.
Рис. 5-20. Швы железобетонных экранов.
а — плотина Куойч: 1 — медная шпонка; 2 — битум; 3 — арматура: 4 — доска толщиной 25 мм; б — плотина Парадела: 1 — литая резина в угловых швах; 2 — медная шпонка; 3 — асфальтовый лист; 4 — обжатая пробка; 5 — дерево в угловых швах и обжатая пробка в вертикальных; 6 — дерево; 7 — мастика; 8 — поверхность, покрытая битумом; 9 — бетонная балка; 10 — свободная медная шпонка; в — плотина Канд: 1 — каменная отсыпка; 2 — виброуплотненная подготовка из щебня; 3 — бетонная подготовка; 4 — плита железобетонного экрана; 5 — бетонный зуб; 6 — профилированная резиновая шпонка; 7 — шов, заполненный битумной мастикой.
Разрезная конструкция обеспечивает независимую работу сопрягаемых элементов, уменьшает, хотя и не исключает полностью, возможность образования трещин.
Наиболее совершенной является гибкая конструкция сопряжения, представляющая собой упругую подушку из хорошо окатанной гальки, перекрытой несколькими слоями железобетонных плит (плотина Коготи).
Рис. 5-21. Плотина Ора.
1 — сборный экран; 2 — подготовка из щебня слоем 0,1 м; 3 — каменная отсыпка из кварцевого порфирита; 4 — упорная призма из крупного камня; 5 — многорядная противофильтрационная завеса; 6 — галерея; 7 — аллювий; 8 — порфириты; 9 — плита из беспесчаного бетона (заполнитель — щебень крупностью 7—15 мм); 10 — рифленая тыльная поверхность; 11 — дренаж; 12 — подготовка из тощего бетона; 13 — асфальтобетонное покрытие; 14 — битумный шнур, закрывающий швы.
На плотинах Сан-Ильдефонсо, Мадеро и Мальпасо экран отрезан от зуба плотины шпоночным швом, заполненным битумом. Такое шарнирное сопряжение позволяет экрану сдвигаться, не нарушая водонепроницаемости сопряжения, оно может быть рекомендовано для высоких каменнонабросных плотин.
Имеются попытки применения экранов из сборного железобетона. Примером применения сборной конструкции экрана является плотина Ора (рис. 5-21) высотой 60,0 м, построенная в 1963 г. в ГДР. Плотина выполнена из мелкого камня порфирита крупностью до 0,5 м, который отсыпался слоями 0,6 м и уплотнялся виброукаткой. По верхнему откосу на слое щебня 0,1 м уложены сборные плиты площадью 1—3 м2, а водонепроницаемость обеспечивается битумным покрытием слоем 0,15 м. Плиты экрана укладывались на подготовку из тощего бетона. Торцы плит имеют треугольные пазы; при укладке они покрывались битумом. Швы между плитами в пределах битумного покрытия разделывались битумными шнурами и заглаживались в горячем состоянии. Дренажи экрана выведены в смотровую галерею зуба плотины для наблюдения за работой экрана.
Металлические экраны.
Такой экран, защищенный покрытием против коррозии, является наиболее совершенной и гибкой конструкцией. Впервые металлический экран клепаной конструкции был применен в 1900 г. в США на плотине Скэгуэй высотой 22,2 м. Несмотря на тяжелые условия, плотина Скэгуэй и экран находятся до сих пор в хорошем состоянии. В дальнейшем из-за сложности выполнения клепки, а также чувствительности стали к воздействию температуры и коррозии металлические экраны стали применять реже. Однако в связи с широким развитием сварки, появлением более совершенных средств защиты от коррозии в США снова стали применять металлические экраны, но более современных сварных конструкций. Такие экраны были применены в каменнонабросной плотине Ист Бивер Крик, в плотинах из щебня Кристалл и Катамаунд-Крик и гравия Эль-Вадо.
Металлические экраны выполнены на Храмской плотине (СССР), на плотине Тошков- Чарк (Болгария) высотой 16 м из сухой кладки на плотине Гозна (Румыния) высотой 45,0 м, на плотинах Плотани, Сальсио и Пиано Палу (Италия), построенных из бетонных блоков с гравийными швами.
Для металлических экранов применяется листовая сталь с примесью меди, увеличивающая ее антикоррозионные свойства. Выбор металла должен быть увязан со способностью его надежно свариваться и с защитой антикоррозионным покрытием. Для надежной работы экрана наилучшим является металл с высоким пределом текучести и большой зоной пластичности.
Листы для экрана должны иметь максимальные стандартные размеры по длине и ширине, что позволяет уменьшить общую длину швов. Толщина металлического экрана должна устанавливаться с учетом антикоррозийности металла и его покрытий, а также условий сработки водохранилища/ Толщина экрана современных плотин составляет 8—10 мм.
Основным способом соединений листовой стали в экране является сварка. Листы экрана на месте соединяются монтажными болтами, затем производится сварка непрерывным швом отдельных листов, приварка компенсаторов и ребер жесткости, а также соединение сваркой с зубом плотины. Ребра жесткости применяются только в экранах, уложенных на крутых откосах (плотина Ист Бивер Крик). Экраны имеют U-образные компенсаторы, расположенные через 7—10 м.
На рис. 5-22 приведен металлический экран плотины Агуада Бланка, построенной из каменной отсыпки в 1970 г. в высокогорном районе Перу. Плотина создает ирригационное водохранилище, которое ежегодно срабатывается. Конструкция экрана учитывает тяжелые условия его работы, так как температура воздуха в течение года изменяется от —22 до —31°С с резкими суточными колебаниями.
Экран уложен по песчаной асфальтобетонной подготовке на двухслойной переходной зоне толщиной 5,0 м. Последняя предусмотрена для выравнивания неоднородных деформаций откоса. Экран окрашен за два раза свинцово-цинковой краской с верховой стороны и за один — с низовой.
Монтаж экрана начинался с укладки по откосу тавровых балок (полкой вверх) в виде клеток 2,5 X 4,0 м, отвечающих размерам предварительно сваренных листов 1,25 X 4,0 см. Откос в пределах таких клеток заполнялся асфальтобетоном и отдельные панели экрана приваривались к полкам балок.
Экран разделен температурными швами на карты размером 10 X 16 м, ширина швов 30 мм определилась максимально-возможными температурными деформациями карт экрана при расчетной амплитуде колебаний температуры 80°С. U-образная форма температурных швов придавалась холодным способом и препятствовала прониканию и заклиниванию их песком из подэкрановой подготовки. Все швы доводились до контурного бетонного зуба, к которому экран приваривали в последнюю очередь. Такая гармоникоподобная конструкция придает экрану большую гибкость и возможность приспосабливаться к деформациям плотины, которая построена в высокосейсмичном районе с расчетным ускорением 0,15 g.
Общая длина всех сварных швов экрана плотины Агуада Бланка составила 5000 м, или 1,6 м на 1 м2 экрана. На изготовление экрана было израсходовано 195 т металла, или 56 кг/м2. Для монтажа экрана потребовалось 75 рабочих дней бригады из 6 сварщиков к 112 такелажных рабочих.
Крепление экрана к телу плотины выполняется посредством анкерных болтов, отверстия для которых делаются овальными или круглыми, но большего диаметра. Водонепроницаемость такого крепления обеспечивается колпачками, привариваемыми к экрану поверх гайки и шайбы анкерных болтов. Конструкция швов, ребер жесткости и компенсаторов не должна увеличивать жесткость экрана, а следовательно, ухудшать условия его работы. Верхняя часть экрана заканчивается обычно скользящей опорой у парапета, чем достигается возможность деформаций экрана вдоль откоса.
Многолетний опыт эксплуатации металлических экранов в каменнонабросных плотинах показал, что никаких затруднений при их эксплуатации не возникало, а потому они могут быть рекомендованы к применению, если оправдана их высокая стоимость.
Асфальтобетонные экраны.
По сравнению с железобетонными асфальтобетонные экраны имеют более высокую водонепроницаемость, трещиностойкость и податливость при осадке плотины и основания. При сравнительно малой толщине асфальтобетонные экраны отличаются высокой надежностью, водоустойчивостью и долговечностью, а расходы на содержание и ремонт их не превышают 5% стоимости экранов. Все это позволяет, рекомендовать асфальтобетонные экраны для каменнонабросных плотин [Л. 130].
Рис. 5-22. Металлический экран плотины Агуада Бланка (размеры— в мм).
а — контурный бетонный брус; б — анкерный болт; в — противоволновой парапет; г — пересечение швов; д —фасад экрана, е — разрез экрана; 1 — битумное уплотнение; 2 — анкерный стержень; 3 — накладка; 4 — песчано-битумная подготовка.
Гидротехнический асфальтобетон по своему составу и свойствам близок к обычному дорожному (ГОСТ 9128-67). Он состоит из смеси нефтяного битума с наполнителем (минеральным порошком), песком и щебнем, смешанным при температуре 150—180°C, укладываемой и уплотняемой в горячем состоянии. Отличие гидротехнического асфальтобетона от дорожного состоит в его повышенной водонепроницаемости, водо- и теплоустойчивости, что достигается большим содержанием в нем битума и наполнителя, добавкой крошки коротковолокнистого асбеста, а иногда извести.
«Временными техническими условиями на проектирование и устройство монолитных асфальтобетонных облицовок гидротехнических сооружений» ВСН 17-68 Минэнерго СССР рекомендуются следующие составы, %, гидротехнических асфальтобетонов:
Рис. 5-23. Асфальтобетонные экраны и их сопряжения с основанием.
I — с зубом плотин: а — Ириль Эмда; б — Монгомери; в — Хенкель; г — Венемо; д — Радойна; е — Генкель; 1 — бетон; 2 — скала; 3 — отсыпка или наброска камня; 4 — асфальтобетон; 5 —пористый бетон; 6 — дренаж; 7— глина; 8 — гидроизоляция; 9 — щебень; II — с железобетонной галереей: 1 — каменная наброска; 2 — скала; 3 — противофильтрационная шпонка в стенках галереи; 4 — дренажная трубка; 5 — бетонный блок; 6 — два слоя брезента, пропитанного битумом; 7 — защитное покрытие асфальтобетоном толщиной 4 см; 8— верхний слой экрана; 9 — дренажный слой 10 см; 10 — нижний слой экрана; 11 — слой черного фильтра; 12 — покрытие швов галереи; III — с зубом в русле и на берегах: 1 — каменная наброска; 2 — двухслойный асфальтобетонный экран 2 и 4 см; 3 — медная противофильтрационная шпонка; 4 — асфальтовая мастика.
По опытным данным экран из хорошо подобранной смеси под давлением 1,0 МПа в течение 14 мес не пропустил ни капли воды. Образец такого асфальтобетона в приборе трехосного сжатия под давлением 4,5 МПа обладал полной водонепроницаемостью. Предельная его пористость не превышала 3%.
При проектировании асфальтобетонных экранов решаются следующие вопросы: подбор состава асфальтобетона на основе лабораторных исследований, расчет экрана и разработка технологии производства работ.
Подготовка под асфальтобетонный экран на первых плотинах (Бу-Ханифия, Гриб и Ириль Эмда) выполнялась в виде подэкрановой кладки (рис. 4-13), недостатком которой являлась значительная жесткость. В настоящее время такая подготовка выполняется из асфальтобетона, приготовленного на крупнозернистом заполнителе (50—150 мм).
По конструкции асфальтобетонные экраны делят на однослойные (плотина Венемо) и многослойные (плотина Отсумато) с дренажной прокладкой между ними. Последние нашли наиболее широкое применение. Сопряжение экрана с основанием в зависимости от геологических условий и конструкции экрана выполняется по одной из схем, изображенных на рис. 5-23. Если требуется цементация основания и возникает необходимость контроля за работой экрана, в конструкции зуба устраивается цементационная галерея.
Расчеты асфальтобетонных экранов и их устойчивость производятся по касательным напряжениям, силе трения и начальной прочности на срез [Л. 52].
В нормальных условиях эксплуатации асфальтобетон обладает пластичностью, что позволяет экрану следовать за осадками тела плотины, сохраняя свою водонепроницаемость. Даже местные осадки, вызывающие деформации в экране с уклонами до 0,1, не нарушают его плотности. При армировании экрана сеткой безопасный уклон может быть повышен до 0,2. Для восприятия повышенных напряжений в смесь асфальтобетона добавляют асбестовую крошку, повышающую его прочность.
Дренажный слой, укладываемый под экраном (однослойным) или между его слоями (в многослойном), должен иметь крупность не выше 6—7-кратной наполнителя асфальтобетона. Для наблюдения за работой дренажа устраиваются организованные выпуски с возможностью измерения расходов. Наличие таких выпусков позволяет ограничить толщину черного фильтра до 6—8 см для низких плотин и 8—12 см для средних и высоких. Увеличить пропускную способность черного фильтра можно за счет устройства дренажных лент в нем из чистого гравия.
Основные данные по каменнонабросным плотинам с асфальтобетонными экранами приведены в приложении IV.
В современных плотинах толщина слоев асфальтобетонного экрана составляет: 8 см для низких плотин, 8—12 см для средних и 12—18 см для высоких плотин.
Одной из первых плотин с асфальтобетонным экраном была плотина Гриб высотой 72,0 м, построенная в Алжире. Перед тем как применить такой экран для крутого откоса плотины, изменяющегося от 1:1,0 до 1:0,67, были проведены исследования, которыми было установлено, что асфальтобетон при определенных напряжениях и температурах ведет себя, как твердое тело, с ограниченной и не зависящей от времени деформацией. Устойчивость асфальтобетона в экране обеспечивается при толщине слоя 12 см, хотя нельзя было точно определить коэффициент запаса при заданных температуре и качестве уложенного асфальтобетона. Для увеличения механической прочности асфальтобетона необходимо содержание в нем битума свести к минимуму и иметь достаточно грубый, но плотный состав заполнителей. С уменьшением содержания битума и увеличением крупности заполнителей возрастают трудности обработки такого состава и получения однородного и водонепроницаемого материала.
В результате произведенных исследований был установлен оптимальный состав смеси и опытным путем разрешены следующие вопросы: сопряжение экрана с подэкрановой кладкой и зубом плотины, укладка и уплотнение (укаткой) асфальтобетона на крутом откосе, защита экрана от воздействия температуры и т. д., а также составлены технические условия на укладку экрана.
На подэкрановую кладку уложена дренажная подготовка из пористого бетона толщиной 10 см с выводами дренажных трубок в потерну зуба плотины. Такая подготовка обеспечила хорошее сцепление экрана с подэкрановой кладкой, дренаж, исключающий образование противодавления на экран, и наблюдение за его водопроницаемостью. Перед укладкой экрана поверхность подэкрановой подготовки покрывалась раствором, что позволило создать хорошее сцепление экрана с бетонной подготовкой. Асфальтобетон в экране укладывался двумя слоями по 6 см, что обеспечивало хорошее его уплотнение при укатке.
Сопряжение экрана с зубом плотины покрыто семью слоями хлопчатобумажной ткани, пропитанной специальной эмульсией из битума и бентонита с расходом 1,5 кг/м2. Такое покрытие является водонепроницаемым, допускает значительные деформации и обладает хорошим сцеплением с бетоном зуба.
Для асфальтобетонного экрана особое значением имеет его защита от воздействия температуры. Опытами было установлено, что экран надежен в работе до температур около +450С. При зарегистрированной температуре +70°С (от непосредственных воздействий солнечных лучей) наблюдались местные повреждения, хотя подвижки всей массы экрана не произошло. Наблюдались местные повреждения, это вызвало необходимость покрыть экран слоем пористого бетона толщиной 10 см, разрезанным деформационными швами.
При частичном заполнении водохранилища с напором 29,0 м через затопленную часть экрана площадью 4500 м2 наблюдалась фильтрация до 30 л/с, снизившаяся через сутки до 15 л/с, а затем прекратившаяся полностью. Такой режим уменьшения фильтрации объясняется пластическими деформациями экрана.
Перед укладкой экрана в месте его сопряжения с зубом в подэкрановой кладке была обнаружена трещина шириной в несколько миллиметров, проходившая по всей длине зуба. Эта трещина, вызванная, по-видимому, осадкой плотины, была заделана, но после заполнения водохранилища снова раскрылась, захватила подэкрановую подготовку и перешла в экран. В пределах экрана она постепенно переходила в волосяную. Наблюдаемая равномерная по длине экрана фильтрация проходила через эту трещину. Благодаря пластическим деформациям экрана трещина постепенно закрывалась. Возможно также, что она закрылась под влиянием последующей осадки.
На плотине Ириль Эмда высотой 80,0 м асфальтобетонный экран толщиной 0,125 м уложен двумя слоями между бетонными плитами: наружной армированной и внутренней из пористого бетона. На плотине Врла II высотой 25,0 м, построенной в 1955 г. в Югославии, асфальтобетонный экран уложен двумя слоями и армирован проволочной сеткой, а снаружи покрыт железобетонной плитой.
Асфальтобетонный экран применен на плотине Монгомери высотой 34,4 м, построенной в США в 1957 г. в высокогорном районе. Проект плотины предусматривает в будущем ее наращивание на 15,0 м. Плотина выполнена из наброски камня от 5-тонных глыб до щебня крупностью 100 мм (при содержании щебня до 10%). По верховому откосу уложен с уплотнением укаткой виброкатком слой щебня крупностью 19—77 мм, толщиной 3 м, служащий дренажной подготовкой и основанием для экрана. Поскольку водохранилищеежегодно срабатывается зимой и заполняется летом, экран доступен для осмотра и ремонта. Экран уложен на достаточно пологом откосе (1 : 1,7) и не имеет защитного покрытия. Сопряжение экрана с бетонным зубом выполнено по кривой радиуса 3,0 м. Однако опыт укатки асфальтобетона на таком сопряжении показал, что переходный радиус сопряжения 3,0 м недостаточен по производственным соображениям.
На плотине Вене м о высотой 64,0 м асфальтобетонный однослойный с дренажной подготовкой экран толщиной 0,15 м уложен по откосу 1 : 1,7.
Ha плотине Отсумато (рис. 4-12,б) асфальтобетонный экран толщиной 0,3 м выполнен двухслойным с дренажной подготовкой.
Из опыта строительства и эксплуатации асфальтобетонных экранов плотин можно сделать выводы, которые необходимо учитывать при проектировании:
а) состав асфальтобетона должен быть подобран в лаборатории с учетом условий работы экрана;
б) экран может быть одно- или двухслойным с дренажной прослойкой;
в) экран должен иметь дренирующую подготовку с контролируемым отводом профильтровавшейся воды;
г) экран должен быть защищен от температурного и волнового воздействия;
д) защитное покрытие экрана должно соответствовать условиям его работы и быть надежно связано с экраном.
Каждый из слоев экрана следует укладывать асфальтоукладчиком в сухую погоду в несколько приемов толщиной по 6—8 см, перекрывая швы в слоях, с тщательным уплотнением укаткой виброкатком и защищать при необходимости от воздействия прямых солнечных лучей.
Асфальтобетонные экраны являются прогрессивными конструкциями для каменнонабросных плотин. Опыт их эксплуатации в различных климатических условиях — в достаточно. суровых (плотины Монгомери в высокогорном районе США и Венемо в Северной Норвегии) и тропических (плотина Педу в Малайзии) — подтвердил надежность таких конструкций.
