Глава 10. Возведение земляных и каменно-набросных плотин с противофильтрационными элементами из негрунтовых материалов
10.1. Общие положения
Грунтовые плотины с противофильтрационными элементами из негрунтовых материалов давно нашли свое применение в плотиностроении. Конструктивно они выполняются в виде экранов и диафрагм.
Экраны располагаются с верхнего бьефа по верховому откосу плотины. В зависимости от основного материала, применяемого в конструкции экрана, они делятся на асфальтобетонные, железобетонные, металлические, из полимерных материалов и другие. Во всех типах экран находится под непосредственным воздействием воды и передает ее давление через подэкрановую подготовку основному телу плотины. Кроме того экраны подвержены воздействию ледовых, волновых и иных нагрузок. Поскольку каменно-набросные плотины подвержены большим осадкам, к экранам предъявляются строгие требования не столько по прочности, сколько по гибкости и водонепроницаемости. Для обеспечения этих требований во всех конструкциях экранов предусматривается подэкрановый слой (подготовка). Назначением подэкрановой подготовки является выравнивание поверхности откоса наброски и неравномерных его осадок за счет создания упругой, относительно плавной деформирующейся постели. Принципиально такой слой присутствует во всех типах экранов, несколько изменяясь по материалу, их качеству и требованиям к уплотнению в зависимости от высоты плотины и конкретных условий ее возведения.
Противофильтрационные элементы в виде диафрагм располагаются в центральной части плотины, как правило, вертикальные или слабонаклонные. Благодаря этому они не подвергаются волновым, ледовым и другим воздействиям. Главная их задача обеспечивать водонепроницаемость плотин и передавать давление воды на низовой клин плотины. Для диафрагм применяются такие же материалы, как и для экранов, асфальтобетон, железобетон, металл, полимерные материалы и другие. Конструктивно диафрагмы так же как и в экранах плотины должны иметь переходные грунтовые слои со стороны верхнего и нижнего бьефов, а также допускать взаимные деформации элементов и тела плотины без нарушения сплошности. Для обеспечения этих условий применяются определенные требования, как к переходным зонам грунта, так и к конструктивным узлам диафрагмы, в зависимости от применяемого материала, высоты плотины и условий его строительства и эксплуатации.
Главная особенность технологии возведения всех типов плотин с негрунтовыми противофильтрационными элементами заключается в выборе оптимальной последовательности выполнения отдельных узлов и процессов, обеспечивающих технологичность всего комплекса, качество элементов в целом, применительно к конкретным конструкциям и условиям.
10.2. Плотины с противофильтрационными элементами из асфальтобетона
Асфальтобетонные противофильтрационные устройства в грунтовых плотинах в виде диафрагм и экранов выполняются из специально подобранных, тщательно перемешенных и уплотненных в горячем состоянии смесей из вязкого нефтяного (дорожного) битума (марок БДН 40/60; БДН 60/90; БДН 90/130) и различных добавок (наполнителей). В качестве добавок используется минеральный порошок, песок, гравий (щебень), подобранные в соотношениях, обеспечивающих максимальную плотность смесей.
Гидротехнические асфальтобетоны подразделяют по следующим признакам:
По крупности минеральных составляющих на песчаные, мелкозернистые, среднезернистые и крупнозернистые;
По составу органического вяжущего на обычные асфальтобетоны, с применением нефтяных битумов и асфальтополимербетоны с пластифицирующими и структурирующими добавками каучуков и термоэластопластов;
По консистенции смеси во время укладки на уплотняемые асфальтобетоны с уплотнением укаткой или вибрацией, и литые (легкоподвижные) асфальтобетоны самоуплотняющиеся при укладке, т.е. без уплотнения.
Реологические свойства асфальтобетона достаточно сложны и зависят от его состава. Основными требованиями к асфальтобетонам при подборе состава являются: гарантированное обеспечение эксплуатационных требований: водонепроницаемости, долговечности, коррозионной стойкости (водостойкость), трещиностойкости, исключение возможности разуплотнения, возможности выдавливания (выноса, вымывания) битума; обеспечение возможности самолечения; обеспечение совместности работы с телом плотины и т.д., а также учет влияния на свойства асфальтобетона в конструкции технологии его выполнения.
Многочисленными опытами доказано, что обеспечение водонепроницаемости и водостойкости (а следовательно коррозионной стойкости, морозостойкости) может быть обеспечено при достижении величины остаточной пористости менее 2,8 %. Это достигается соответствующим уплотнением. Для уплотняемых асфальтобетонов – виброуплотнением и укаткой, а для самоуплотняемых литых асфальтобетонов – укладкой слоя, толщина которого не менее определенной, зависящей от состава и условий работы (например, при заливке под воду или на влажную поверхность мелкозернистого асфальтобетона – не менее 0,5 м).
Базовые составы горячих асфальтобетонов характеризуются следующими данными: щебень фр. 5-20 мм – 42-46 %; песок фр. 0-5 мм – 31-36 %; известковый порошок – 18-22%; вяжущее (битум или полимербитумная композиция): в литых асфальтобетонах – 8,5-11,5 %; в уплотняемых асфальтобетонах – 6-9 %.
Производство работ по возведению асфальтобетонных диафрагм и экранов включает три самостоятельных комплексных процесса:
Приготовление асфальтобетонной смеси и ее транспортировка;
Производство работ на сооружении по устройству диафрагмы или экрана;
Контроль качества производства работ.
Все гидротехнические асфальтобетонные смеси (уплотняемые и литые) приготовляются на серийно выпускаемых асфальтосмесителях на асфальтобетонных заводах подобно приготовлению дорожных смесей.
Транспортировка смесей осуществляется автосамосвалами или асфальтовозами.
Укладка в сооружение производится асфальтоукладчиками или специальными механизмами.
Температура асфальтобетонной смеси на выходе из смесителя должна быть в пределах 150-180°С. Горячая асфальтобетонная смесь не подлежит длительному хранению и должна сразу транспортироваться к месту укладки с остыванием смеси не более чем на 20°С.
Недопустимо расслоение смеси и образование комков. Дальность транспортировки не рекомендуется более 60 км, а для литой смеси ~ более 15 км.
В зависимости от расположения в теле плотины, асфальтобетонные устройства подразделяются на диафрагмы и экраны.
Плотины с диафрагмами
Асфальтобетонные диафрагмы подразделяются:
по конструкции: на вертикальные, наклонные, переменного наклона и зигзагообразные, в зависимости от расположения в теле плотины (рис. 10.2.1);
по способу выполнения – на сборные и монолитные.
Рис. 10.2.1. Типы асфальтовых диафрагм в грунтовых плотинах
а — вертикальная; б — наклонная; в — переменного наклона; г — зигзагообразная; 1 — диафрагма; 2 — переходный слой; 3 — тело плотины.
Толщина диафрагмы определяется расчетом в зависимости от высоты и деформационных характеристик упорной низовой призмы (осадок). Предварительно у гребня плотины толщину диафрагмы рекомендуется применять равной 30-40 см с увеличением к основанию на 0,005-0,008 высоты Н. Конструктивно, как правило, диафрагма состоит из трех частей – переходного слоя со стороны верхнего бьефа, асфальтобетонного слоя в центре и переходного слоя со стороны нижнего бьефа.
Переходные слои служат для равномерной передачи давления от тела плотины на асфальт диафрагмы и для предотвращения выдавливания материала диафрагмы в тело плотины. Они выполняются из песчаных, щебенистых или гравелистых грунтов. Толщина переходных слоев принимается не менее толщины диафрагмы и увязывается с шириной применяемых уплотняющих машин.
Монолитные асфальтобетонные диафрагмы грунтовых плотин и дамб возводятся одновременно с возведением грунтового тела ярусами. Для диафрагм применяются как уплотняемые, так и литые смеси с начальной температурой при укладке не ниже 150°С.
Диафрагма из уплотняемого асфальтобетона возводится с помощью специально для этого предназначенного асфальтоукладчика (рис. 10.2.2.). При этом при укладке слоя одновременно должна осуществляться присыпка его с двух сторон грунтом переходных зон. Вслед за этим осуществляется одновременное уплотнение асфальтобетона и переходных слоев.
Pиc. 10.2.2. Схема асфальтоукладчика ядра плотины из уплотняемого асфалътобетона.
А) вид с боку, Б) вид сверху
1 – боковые перегородки, 2 – носовая часть, 3 – отвал, 4 – бункер, 5 – виброплита, 6 – ходовая часть.
Диафрагмы из литого самоуплотняющегося асфальтобетона могут выполняться следующими способами:
заливкой литой асфальтобетонной смеси в траншею;
заливкой смеси в разборно-переставную опалубку;
заливкой смеси в скользящую опалубку.
При заливке в траншею последовательность работ следующая: сначала поверх выполненного яруса диафрагмы послойно насыпается грунт переходной зоны с уплотнением. Затем в нем над прежним слоем диафрагмы разрабатывается траншея равная толщине слоя с помощью одноковшового экскаватора, в которую и заливается очередной слой асфальтобетона. Высота ярусов заливки может составить 1,5 м.
При применении способа с использованием разборно-переставной опалубки последовательность работ следующая (рис. 10.2.3.):
очищается поверхность асфальтобетона нижнего яруса;
устанавливается опалубка блока (секция);
осуществляется укладка асфальтобетонной смеси в отдельные блоки;
демонтируется опалубка после охлаждения асфальтобетона;
проверяется качество и составляется акт на скрытые работы;
отсыпается и уплотняется грунт переходных зон с обеих сторон.
Рис. 10.2.3. Технологическая последовательность возведения ярусов монолитной диафрагмы из литого асфальтобетона
/ — очистка поверхности нижнего яруса; // — установка опалубки; /// — перегрузка горячей асфальтобетонной смеси из автосамосвала в бадью; IV — заливка смеси в ярус; V — охлаждение асфальтобетона; VI — разборка опалубки; VII — засыпка яруса грунтом; VIII — уплотнение грунта; 1 — грунт переходных зон; 2 — нижний ярус; 3 — асфальтобетонная смесь; 4 — разборно-переставная опалубка; 5 — бадья с секторным винтовым затвором
Рекомендуемая высота блока определяется возможностями уплотнения грунта переходных зон, но не менее минимальной толщины слоя, достаточного для самоуплотнения асфальтобетона. Температура асфальтобетонной смеси должна быть не ниже 140°С. Остывание – до температуры не выше 40°С. Время охлаждения может составлять до 1 суток зимой и 3 суток летом.
Контроль качества производства работ состоит из трех этапов: входного, операционного и приемочного.
На всех этапах производятся необходимые испытания в строительной лаборатории, а на сооружении необходимые геодезические съемки.
В отечественной практике наиболее высокой плотиной с асфольтобетонной диафрагмой является плотина Ирганайской ГЭС (рис. 10.2.4). Строится плотина Богучанской ГЭС. Та и другая плотины возводятся с применением литого асфальтобетона.
Рис 10.2.4 Плотина Ирганайской ГЭС с асфальтобетонной диафрагмой.
асфальтобетонная диафрагма , 2-переходная зона, 3- упорные призмы, 4- галерея, 5-плотина первой очереди , 6- стенка в грунте, 7- цементационная завеса, 8-аллювиальные отложения, 9- скала
В заграничной практике наиболее распространенно применение жесткого уплотняемого асфальтобетона, укладываемого с помощью специального асфальтобетоноукладочного комплекса (Рис. 10.2.2.). Этот комплекс предусматривает одновременную укладку асфальтобетона и переходных слоев с необходимым их уплотнением.
Среди специалистов нет единого мнения о преимуществах литого асфальтобетона или жесткого уплотняемого асфальтобетона. Опыт укладки литого асфальтобетона на строительстве Ирганайской ГЭС оказался положительным, а на строительстве Богучанской ГЭС в суровых климатических условиях выявились ряд недостатков, являющихся, в основном, следствием серьезных нарушений технологии. Это ещё раз подтверждает необходимость неукоснительного точного соблюдения технологии выполнения всех элементов.
В принципе, каждый из рассмотренных методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому применение того или иного типа асфальтобетона должно быть итогом проектных проработок с учетом конкретных условий строительства.
Плотины с экранами
Монолитный асфальтобетонный противофильтрационный экран – это бесшовное покрытие, располагающееся на поверхности откоса или дна бассейна. Конструктивно экран включает основание под асфальтобетон, покрытие (подготовку), само асфальтобетонное покрытие и поверхностный (защитный) слой.
Основанием экрана является специально подготовленная поверхность защищаемого сооружения. Основанием может служить: спланированный, обработанный гербицидом и уплотненный слой грунта тела сооружений; подготовка из песчано-гравийного грунта с обработкой или без обработки разжиженным битумом или эмульсией; переходный слой из пористого асфальтобетона или битумно-минеральной смеси. Выбор конструкции основания зависит от конкретных условий, от типа, свойств и грансостава тела сооружения.
При устройстве экрана на откосах каменно-набросных плотин из крупнообломочного материала требуется укладка по откосу выравнивающего уплотненного слоя по типу фильтра. Поверхность этого слоя проливается битумом.
Само асфальтобетонное покрытие может быть трех типов: однослойное, двухслойное и трехслойное. Выбор типа покрытия и его конструкция зависит от типа сооружения, его высоты, возможных осадок и др.
При выполнении экрана из уплотняемого асфальтобетона смесь укладывают при помощи асфальтоукладчиков слоями 5-10 см при температуре 140-170°С.
Уплотнение смеси производится непосредственно вслед за ее укладкой в две стадии. Первая стадия – предварительное уплотнение при высокой начальной температуре смеси (140-170°С) до плотности 0,97-0,99, определяемой в лаборатории. Уплотнение обеспечивается уплотняющими рабочими органами асфальтоукладчика и самостоятельными уплотняющими машинами, перемещающимися вслед за асфальтоукладчиками.
Механизмы для предварительного уплотнения не должны «утопать» в слое, для чего они должны иметь малые статические и динамические давления на смесь.
Вторая стадия – окончательное уплотнение смеси при более низких температурах (менее 130°С) до требуемого коэффициента уплотнения. Для этого используется серийно выпускаемые дорожные вибрационные и гладкие катки.
Технологическая схема и применяемые механизмы зависят от длины уплотняемой полосы. Например, для откосов длиной 25-200 м применяется следующая схема (Рис.10.2.5):
грунтовая поверхность откоса планируется автогрейдерами или бульдозерами, для перемещения грейдера по откосу используется тяговый трос экскаватора-драглайна;
откос обрабатывается водным раствором гербицида;
грунт на откосе уплотняется прицепным вибратором, перемещаемым на пологих откосах трактором, а на крутых – тяговым тросом экскаватора;
укладка переходных слоев и асфальтобетона основного слоя осуществляется дорожным асфальтоукладчиком, предварительное уплотнение – двумя легкими виброкатками, а окончательное – виброкатком массой 6-8 т. Перемещение асфальтоукладчика, виброкатков, автосамосвала или перегрузочной тележки (на крутых откосах) осуществляется с помощью специальной эстакады с лебедками;
поверхностная обработка при необходимости наносится автогудронатором, распределение каменной крошки или песка шлангом набрызг-машины;
при устройстве двух, трехслойных экранов применяются два-три комплекта машин, работающих последовательно на укладке каждого слоя;
на всех стадиях строительства экранов должен осуществляться технический контроль качества производства работ.
Рис. 10.2.5. Технологическая схема строительства асфальтобетонного экрана на откосах 25—200 м комплексом ЭДС-1
а — коэффициент заложения откосов 3>m>1,5; б – то же 4≥m≥3; 1 — грейдер; 2 — экскаватор; 3 — поливо-моечная машина; 4 — виброкаток; 5 — виброкатки дорожные 1,5 т; 6 — автосамосвал; 7 — асфальтоукладчик дорожный; 8 — тележка перегрузочная; 9 — платформа; 10 — виброкаток дорожный 6 т; 11 — автогудронатор; 12 — набрызг-машина; 13 — компрессорная станция
Асфальтобетонные экраны могут выполняться и из сборных асфальтобетонных элементов, укладываемых непосредственно на грунтовое основание. Дополнительно в производственном процессе, кроме элементов присущих монолитным экранам, добавляются элементы изготовления асфальтобетонных сборных элементов, транспортировка их к месту укладки и укладка в экран.
Транспортировка элементов осуществляется или автомобилями или трейлерами отдельными плитами в штабелях или тюфяками, намотанными на барабан.
Укладка сборных элементов осуществляется в один или несколько слоев вдоль откоса обычно встык с шириной швов между элементами 5-15 см. Швы заполняются горячей литой асфальтобетонной смесью.
Имеет место также выполнение экранов из литых асфальтовых бетонов и растворов (в том числе подводная заливка). При подводной заливке асфальтовоз размещается на гребне откоса и из него подается асфальт, стекающий вниз по откосу. Для подводной заливки используют размещенную на понтоне бетонолитную трубу, по которой асфальт доставляется непосредственно к метсу укладки.