Арматуру для экрана укладывают в виде пакетов, заранее приготовленных на производственных предприятиях. Как мероприятие по повышению трещиностойкости следует рассматривать применение армирования стальной фиброарматурой.
С целью борьбы с трещинообразованием в плитах экрана должны предусматриваться мероприятия по уменьшению усадок плотины, как по величине, так и по неравномерности.
Вэтих мероприятиях существенную роль играет подготовка подстилающего слоя и его поверхности для укладки экрана. Для этого в подстилающем слое предусматривается специальная технология укладки и уплотнение этой зоны (зона 2А, 2В, 3А), заключающаяся в укладке грунта тонкими слоями определенной крупности с тщательным уплотнением виброкатками до получения требуемой (по расчётам) плотности.
Для подготовки ровной поверхности откоса под плиту экрана разработана также специальная технология с возведением бетонного бордюрного поребрика на внешнем откосе каждого слоя зоны 2В. Наклонная поверхность таких бордюрных блоков по всей высоте откоса позволяет создать ровную плоскость, на которую затем укладывается экран. Бордюрный поребрик выполняют с помощью специальной бордюроукладочной машины.
На гребне плотины у ее верхового откоса возводят бетонный парапет, сопрягающийся с железобетонным экраном и одновременно являющийся водоотбойной стенкой. Парапеты обычно выполняются по типу подпорных стенок с устройством на гребне площадок для размещения строительного и монтажного оборудования (лебедки, краны, бульдоверы и др.) и организации производственного процесса.
Впоследнее время появилась информация о появлении трещин в экранах некоторых построенных плотин с железобетонными экранами. Этот факт говорит о необходимости при проектировании и строительстве таких плотин более тщательно исследовать все факторы, влияющие на деформации плотины и трещинообразование, и принимать соответствующие конструктивные и технологичные решения, возможно отличные от описанных выше, применительно к конкретным условиям.
10.4. Плотины с металлическими противофильтрационными элементами
Металлические противофильтрационные элементы в виде экранов и диафрагм также находят применение в плотиностроении. Главными их преимуществами являются высокая прочность, устойчивость к деформациям, высокая водонепроницаемость. В качестве материала используются сталь специальных марок или сталь строительных марок с принятием специальных мер против коррозии.
К настоящему времени в мире построено около 60 плотин данного типа. Самой высокой из них является плотина Чизмен (США) высотой 72 м с металлическим экраном, а в России – плотина Серебрянской ГЭС-2 с металлической диафрагмой высотой 64 м. В подавляющем большинстве плотин в качестве материала насыпи использованы каменная наброска, галька, гравий, песок и различные их сочетания.
Металлические экраны выполняются из отдельных листов. Листы для экрана должны иметь максимальные размеры по длине и ширине для уменьшения общей длины швов. Толщина экрана составляет 8 – 10 мм. Основным способом соединений отдельных листов является сварка. Листы экрана на месте соединяются монтажными болтами, затем производится сварка непрерывным швом отдельных листов, приварка компенсаторов и ребер жесткости. Экраны обычно имеют u- образные компенсаторы через 7-10 м.
Металлические диафрагмы выполняются отдельными ярусами высотой 6-10 м, как из отдельных элементов заводского изготовления, так и из укрупненных монтажных элементов, собираемых на стройплощадке (рис.10.4.2.). Высота ярусов монтажа диафрагмы, общие размеры и масса укрупненных элементов назначаются с учётом характеристик применяемых грузоподъемных кранов.
193
Рис. 10.4.2. Металлическая диафрагма из сборных элементов, соединяемых «в замок». Вариант схемы разрезки диафрагмы на ярусы монтажа (размеры, м):
1 — сборные элементы; 2 — межъярусный сварной шов; 3 — контурный бетонный зуб; 4 — цемзавеса; 5 — строительный туннель; 6 — водосброс;
/, //, /// — ярусы монтажа диафрагмы.
На строительстве Серебрянской ГЭС-2 в качестве элемента диафрагмы применялся шпунт корытообразного профиля ШП-1, соединенный «в замок». В качестве герметизации щелей в замковых соединениях применяются профильная резиновая лента, тиокол и другие герметики.
Технология возведения плотин с металлическими противофильтрационными элементами практически не отличается от обычной технологии возведения плотин с грунтовыми элементами. Также как и в иных плотинах отсыпка переходных слоев (при их необходимости), примыкающих к металлическому экрану или диафрагме, должна производиться тонкими слоями 0,5 – 1,0 м с тщательным уплотнением (рис.10.4.3.). Общая возможная технологическая схема возведения плотины с металлической диафрагмой дана на рис. 10.4.4.
Рис. 10.4.3. Схемы отсыпки каменнонабросной плотины с металлической диафрагмой тонкими (а) и мощными (б) слоями
/, // — слои отсыпки упорных призм; Iа, IIа, ... — слои отсыпки грунта в переходные зоны.
194
Рис.10.4.4 Общая схема производства работ при возведении плотины с диафрагмой 1 - монтаж диафрагмы; 2, 3, 4 - отсыпка, разравнивание и уплотнение грунта в тело плотины
Основные технологические преимущества плотин с тонкими металлическими экранами и диафрагмами заключаются в простоте технологий, в возможности отказа или в упрощении требований к дорогостоящим и обратным фильтрам и переходным слоям, в ликвидации сезонных работ, в сокращении сроков строительства.
Широкое распространение такого типа плотин ранее сдерживалась относительной дороговизной металла, отсутствием эффективных мер борьбы с коррозией, наличием конкурирующих створов с благоприятными условиями для возведения плотин с грунтовыми противофильтрационными элементами. С продвижением гидростроительства в районах Крайнего Севера целесообразность выбора такого типа плотин возрастает.
10.5. Плотины с противофильтрационными элементами из геосинтетических материалов
Применение синтетических полимерных материалов в качестве противофильтрационных элементов в гидротехническом строительстве началось еще в первой половине прошлого века. Первоначально это были тонкие пленочные покрытия. В дальнейшем по мере развития технологии производства, качества синтетики, ее долговечности начался выпуск и других материалов.
Полимерные материалы обладают рядом существенных преимуществ перед другими материалами. Они воспринимают значительные растягивающие напряжения, сохраняют прочность даже при больших деформациях, однородны по своему качеству, долговечны, технологичны и эффективны для применения в строительстве.
Благоприятными предпосылками для их применения являются малая материалоемкость, высокая технологичность при их использовании, малая зависимость от местных условий.
В настоящее время все эти листовые материалы и конструкции из них, предназначенные для устройства противофильтрационных элементов различных сооружений называют
195
«геомембраны»). Найболее распространены геомембрамы из полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ)
Геомембраны представляют собой изгибаемые пленочные материалы, изготовленные из синтетических полимеров. Они могут быть армированными и неармированными. Армирующий материал может быть из тканого и нетканого геотекстиля, стекловолокна и других материалов. Изготавливают и перевозят геомембраны обычно в рулонах шириной от 1,5 до 10 м. Толщина неармированных геомембран колеблется обычно от 0,25 до 5 мм, армированных – от 3 до 10 мм.
Геомембраны применяются как при строительстве земляных, так и бетонных плотин и их ремонте. В грунтовых плотинах из них выполняются диафрагмы или экраны. А в бетонных плотинах геомембрана наклеивается на верхнюю грань плотины, обеспечивая ее водонепроницаемость (рис.10.5.1., рис.10.5.2.).
Рис. 10.5.1. Применение геосинтетики в качестве противофильтрационных элементов
196
Рис. 10.5.2. Обозначение конструктивных элементов, применяемых при строительстве плотин
ифункций геосинтетики:
а— противофильтрационная преграда; б — фильтрующий слой с разделительной функцией; в — передача силового воздействия; г — промежуточный слой; д — макроармирование; е — микроармирование; ж — поверхностное армирование; з — конструктивный элемент; и — двойное покрытие; к — дрена, дрена/покрытие
Важным вопросом при проектировании и строительстве сооружений с пленочными противофильтрационными элементами является конструкция и технология устройства стыков полотнищ. Разработаны и опробованы на практике следующие конструкции стыков полотнищ пленки:
1.Перехлест полотнищ или, как модификация этого метода, скрутка краев. Перехлест полотнищ и скрутка краев являются самыми простыми, но наименее надежными способами соединения. Применяются в случаях, когда величина фильтрационных потерь воды не является определяющим критерием работы противофильтрационного элемента. Стыки, выполненные таким способом, имеют малую прочность.
2.Склейка краев при помощи клеев и мастик. Наиболее распространена при использовании поливинилхлоридных пленок. Обеспечивает полную водонепроницаемость стыков. Требует тщательного контроля качества выполнения работ при склеивании.
3.Склейка краев при помощи клеящих лент. Обеспечивает полную водонепроницаемость стыков. Высокотехнологична, однако, в производственных условиях эффективность применения этого метода снижается при неизбежном загрязнении поверхности пленки.
4.Сварка термоконтактным способом. Это наиболее перспективный способ, но в производственных условиях для пленок толщиной менее 0,6 мм весьма
затруднительно добиться хорошего качества сварного шва.
Полиэтиленовые пленки, как правило, используются в сочетании с защитными прокладками, повышающими устойчивость пленочных конструкций против механических повреждений. В качестве защитных прокладок используются рубероид, стеклоткани, различные рулонные пластмассовые материалы, поролон, резина, а также геотекстили. В качестве эффективных защитных прокладок также могут применяться дополнительные слои полиэтиленовой пленки. В этом случае наружные слои многослойной пленочной конструкции предохраняют от повреждений внутренние слои, которые обеспечивают водонепроницаемость конструкции в целом.
197
Пленочные конструкции противофильтрационных элементов грунтовых сооружений весьма требовательны к гранулометрическому составу грунтов переходных зон. Повреждаемость полимерных полотнищ частицами грунта зависит от размеров и геометрической формы этих частиц. Риск повреждения ки частицами грунта снижается при уменьшении крупности частиц грунта и использовании грунтов с частицами округлой формы. Наиболее часто переходные зоны выполняются из песка.
Наиболее крупным гидротехническим сооружением с противофильтрационным элементом из полиэтиленовой пленки, построенным в СССР, является плотина Атбашинской ГЭС в Киргизии, построенная в 1980 г. (рис.10.5.3). Тело плотины отсыпано из песчано-гравелистых грунтов. Полный напор на плотину составляет 73 м. Центральная вертикальная полиэтиленовая диафрагма выполнена из трех слоев полиэтиленовой пленки толщиной 0,6 мм, стабилизированной сажей. Средний слой пленки представляет собой собственно водонепроницаемый элемент диафрагмы, а прилегающие к нему с обеих сторон дополнительные слои защищают средний слой от случайных повреждений в период строительства и продавливания частицами грунта в эксплуатационный период. Трехслойная диафрагма находится между двумя призмами песка с максимальной крупностью частиц 5 мм. Плотина возведена в узком каньоне, борта которого имеют крутизну 7082 град.
Рис. 10.5.3. Плотина Атбашикокой ГЭС с полиэтиленовой диафрагмой.
1 — пригрузочный слой из крупного камня; 2 — песчано-галечниковый грунт; 3 — упорный низовой банкет из камня; 4 — банкет перекрытия; 5 — переходный слой с обратным фильтром; 6
— естественный завал русла камнем; 7 — инъекционная завеса; 8 — противофильтрационная завеса в песчано-галечниковом грунте; 9 — бетонная пробка; 10 — галерея; 11 — зона отсыпки грунта в воду; 12 — диафрагма толщиной 1 мм; 13— защитные полотнища
Строительство диафрагмы Атбашинской плотины велось в зимнее время при температурах воздуха до -20 град. С и сильных ветрах, порывами до 20-30 м/с. Наблюдения показывают, что на пленочной диафрагме имеет место 100% гашение напора. Диафрагма практически водонепроницаема.
В отечественной практике полимерные материалы использовались и при возведении перемычек (рис 10.5.4, 10.5.5)
198
Рис. 10.5.4. Конструкция верховой водосливной перемычки на р. Нарын.
1 — каменный банкет; 2 — пригрузка экрана; 3 — быстроток; 4 — рисберма из крупного камня; 5 — верховой зуб рисбермы из тетраэдров и крупных камней; 6 — водобойный колодец; 7
— дренажная призма из гравия крупностью 40—100 мм; 8 —дренажные отверстия; 9 — трехслойный фильтр с толщиной слоя по 1 м; 10 — песчано-гравийный грунт; 11 — береговые бетонные шпоры; 12 — полиэтиленовый экран.
Рис. 10.5.5. Верховая перемычка Усть-Хантайской ГЭС.
1 — экран из морены; 2 — полиэтиленовый экран; 3 — пригрузка; 4 — песок подстилающего слоя; 5 — грунт, отсыпаемый во вторую очередь; б — тело перемычки.
В заграничной практике наибольшая высота грунтовой плотины с экраном из геомембраны составляет 91 м (плотина Бовилл, Албания, 1996 г (рис 10.5.6) При устройстве водонепроницаемого экрана плотины использовался тяжелый геокомпозит, состоящий из 3 мм пресованой поливинилхлоридной геомембраны, соединенной полиэфирным нетканым геотекстилем горячим вальцеванием. Геокомпозит был развернут из рулонов от гребня дамбы вниз по верховому откосу, имеющему заложение 1:1,6. (рис 10.5.6) Каждый рулон покрывает всю длину откоса, что исключало необходимость устройства горизонтальных швов.
199
Рис. 10.5.6. Плотина Бовилл, Албания. Полиэтиленовый экран.
Соединение полотнищ производилось двойным швом с воздушным каналом между швами. Все швы подвергались пневматическому испытанию на герметичность. Защиту поверхности геомембраны обеспечивают изготовленные на месте плиты из монолитного бетона размером 3*6 м, уложенные на полипропиленовый нетканый геотекстиль. Анкеровка геокомпозита к бетону по периметру экрана производилась резинометаллическими хомутами.
Некоторые другие примеры зарубежных плотин приведены на рис. 10.5.7., рис.10.5.8.
Рис. 10.5.7. Плотина нa p. Карасу.
/ — подэкрановый слой; 2 — одиночная мостовая; 3 —пригрузка; 4 — защитный слой песка; 5 — экран из полиэтиленовой пленки; 6 — тело плотины из песчано-галечникового грунта.
200