10.3. Плотины с железобетонными экранами
Железобетонные экраны в последнее время получили наиболее широкое распространение в мировой практике плотиностроения. Особенно это относится к плотинам выше 60 м. Такие плотины построены в 47 странах. Например, в Китае после 1980 г. Возведено 110 плотин. В Испании - 23 плотины. В США – 17. Первая плотина с железобетонным экраном Морена высотой 54 м была построена в США в 1895 г. С этого времени в мире было построено более 200 высоких плотин с железобетонными экранами. Применялись различные конструкции и технологии возведения таких плотин, применительно к конкретным условиям и уровню техники и технологии. Самой высокой на 2007 г. является плотина Шуибуйа высотой 233 м (Китай) (рис. 10.3.1).
Рис. 10.3.1. Поперенное сечение самой высокой в мире плотины Шуибуйа с железобетонным экраном (233 м):
1 — парапет; 2 — гребень плотины; 3 — железобетонный экран; 4 — фильтр из известняка. dmax = 80 мм; 5 — переходная зона из прочного известняка, dmax = 300 мм; 6 — ось плотины; 7 — берма шириной 4,5 м; 8 — крепление камнем откоса при толщине слоя не менее 1м; 9 — пригрузка из глинистого грунта; 10 — дневная поверхность; 11 — известняк, dmax = 800 мм, ρd= 2,18 т/м³; 12 — известняк, dmax =800 мм, ρd= 2,15 т/м³; 13 — известняк, dmax = 1600 мм, ρd= 2,10 т/м³; 14 — низовая перемычка, выполненная из песчано-гравийной смеси; 15 — ось низовой перемычки; 16 — скальное основание
По мнению специалистов к настоящему времени выработалась практически типовая конструкция и технология возведения таких плотин, основанная на современном уровне техники и технологии.
Такая конструкция плотины состоит из следующих основных элементов:
Зонированная упорная призма из крупнообломочных грунтов;
Опорная железобетонная плита, с которой сопрягается экран;
Железобетонный экран;
Подэкрановые слои;
Оголовок.
В упорных призмах могут быть использованы практически все виды крупнообломочных грунтов. Технология возведения должна предусматривать только правильное распределение этих материалов в теле упорной призмы, и их уплотнение, обеспечивая соответствующее зонирование. В верховом клине должен укладываться более прочный и менее сжимаемый материал, в низовой части – горная масса менее прочных пород.
Рекомендуемое типовое зондирование дано на рис.10.3.2.
Рис. 10.3.2. Типовое поперечное сечение плотины с железобетонным экраном (обозначения зон отвечают принятым в международной практике)
В типовом поперечном сечении плотины грунтовые материалы подразделяются в соответствии с принятыми в международной практике обозначениями следующим образом:
1А – пылеватый, несвязный, мелкозернистый грунт с песком, способный кольматировать трещины и раскрытые швы. Укладка слоями 0,2-0,3 м с лёгким уплотнением виброплитами;
1В – обычный, рядовой грунт, необходимый, чтобы прикрыть зону 1А. Укладка слоями 0,2-0,3 м с уплотнением проходящим транспортом;
2А – сортированный мелкий каменный материал, располагающийся под периметральным швом и представляющий собой фильтр, способный кольматироваться песком (который может начать поступать через шов), в результате чего должно произойти снижение фильтрации. Укладка слоями 0,2 м с уплотнением ручными трамбовками. Иногда добавляют 3 – 4 % цемента для связности и повышения прочности;
2В - отсортированный мелкий каменный материал (≤ 75 мм), располагающийся под железобетонным экраном и предназначенный для контроля фильтрации в случае появления трещин в экране или щели в шве. Укладка слоями 0,4 м с виброуплотнением (для гравия 0,3 м). Уплотнение поверхности верхового откоса до недавнего времени проводили с помощью 5-тонного виброкатка, перемещающегося по откосу. В настоящее время эту поверхность всё чаще создают с помощью метода, впервые примененного на бразильской плотине Ита и заключающегося в создании на бровке откоса бордюрных бетонных поребриков;
3А – горная масса ограниченной крупности (≤ 0,4 м), иногда отсортированная, являющаяся переходной зоной между 2В и 3В. Укладка слоями 0,4 м с виброуплотнением;
3В – горная масса из наиболее прочных скальных пород (или гравийно-галечниковый материал), занимающая от 1/3 до 1/2 упорной призмы с верховой стороны. Наиболее прочная часть упорной призмы. Гранулометрический состав: ≤ 0,8 м. Укладка слоями 1 м с виброуплотнением;
3С – горная масса из тех же пород, что и 3В, или из более выветрелых. Занимает от 1/3 до ½ поперечного сечения упорной призмы. Гранулометрический состав: ≤ 1,5 м. Укладка слоями до 2 м с виброуплотнением.
Между зонами 3В и 3С может быть промежуточная зона из материала более низкого качества, чем материал зоны 3В.
Крепление низового откоса осуществляется крупным камнем, отобранным в карьере.
Поверхность основания под упорной призмой следует покрыть наброской камня из прочных пород для создания зоны дренажа.
Опорная плита служит для сопряжения железобетонного экрана с основанием. Размеры плиты, врезка ее в скальное основание зависят от напора воды и состояния пород основания.
Минимальную толщину плиты можно определить по формуле:
Рекомендуется однослойное армирование плиты в обоих направлениях, равное 0,3 %.
Такая конструкция появилась благодаря применению новой технологии укладки грунтов в упорные призмы плотины тонкими слоями с уплотнением виброкатками (рис. 10.3.3.).
Рис. 10.3.3. Технология укладки каменной наброски слоями:
а — выгрузка у бровки откоса, сталкивание и разравнивание бульдозером; б — контрольный шурф для проверки плотности, ориентировочные значения плотности в верхней и нижней частях слоя для трех гранулометрических составов горной массы, обеспечивающих минимальное А, среднее Б и максимально плотное В сложение
В технологии бетонных работ при возведении плиты применяется переставная или скользящая опалубка. Последняя является более прогрессивной.
Экран плотины представляет собой систему длинных плит, уложенных на верховой откос от основания до ее гребня (рис. 10.3.4.). Ширина плит от 12 до 18 м. В основании экран сопрягается с опорной плитой посредством перимендального шва, оборудованного шпонками и уплотнениями. Между плитами предусматриваются вертикальные конструктивные швы, оборудованные также шпонками и уплотнениями.
Рис. 10.3.4. Схема разбивки железобетонного экрана плотины Итапеби на отдельные плиты: 1 — опорная плита; 2 — этап I; 3 — этап ll; 4 — зона растянутых швов; 5 — зона сжатых швов; 6 — левобережное примыкание; 7 — правобережное примыкание
Толщина плит экрана зависит от высоты плотины и изменяется от 0,25 м. Основное требование к железобетонному экрану – следовать без повреждений за деформациями каменной наброски. К бетонам для экранов предъявляются требования по прочности, водонепроницаемости и долговечности, что обеспечивается соответствующими требованиями при подборе состава бетона и всей технологии приготовления и укладки бетона.
Общие требования к производству бетонных работ сводятся к следующим:
Предельная крупность зерен заполнителей не более 40 мм из-за малой толщины плиты;
Бетонные смеси должны обладать высокой связностью, чтобы не расслаиваться при подаче в блоки по желобам или на транспортерах;
Подвижность бетонных смесей должна находиться в пределах 3-7 см.
Водопотребность смесей должна быть возможно более низкой, при этом в/ц рекомендуется равным 0,5 – для теплого климата и 0,45 – для холодного;
Сроки схватывания смесей должны быть регулируемыми;
Для повышения удобоукладываемости смесей рекомендуется применять различные добавки;
Для борьбы с трещинообразованием следует предусматривать специальные мероприятия по обеспечению требуемого температурного режима, наряду с мероприятиями по ограничению деформаций (осадок) тела плотины.
Наиболее сложной технологической операцией при бетонных работах является бетонирование плит экрана на крутых откосах (до 1:1,5 – 1:1,6). Обычно для подачи бетона на место укладки используют желоба, транспортеры, а иногда и специальные установки (Рис.10.3.5.). При этом необходимо избегать расслоение бетонной смеси и ее оползание при уплотнении.
В качестве опалубки применяется два типа – обычная переставная и скользящая. Первую обычно используют для возведения нижнего участка плиты на ее контакте с периметральным конструктивным швом. Этот участок необходим для монтажа на нем скользящей опалубки. Технология бетонирования в скользящей опалубке должна предусматривать непрерывность формирования железобетонной плиты при механизированном подъеме опалубки и ее оснастки. При этом предъявляются особые требования, как к составу бетонной смеси, так и темпам набора прочности и срокам твердения.
Скользящую опалубку перемещают вверх по откосу либо с помощью лебедок, размещенных выше, либо с помощью домкратов, установленных на самой опалубке (Рис. 10.3.5.). Средняя скорость подъема одной установки опалубки по зарубежным данным составляет 2 – 4м/час.
Рис. 10.3.5. Схема возведения железобетонного экрана плотины Итапеби с помощью скользящей опалубки:
1 – опорная плита; 2 – внутренняя часть опорной плиты; 3 – подэкрановый слой; 4 – каменная наброска; 5 – гидравлические домкраты; 6 – скользящая опалубка; 7 – конвейер для подачи бетона; 8 – кабель; 9 – бетоноводная труба; 10 – бордюрный поребрик; 11 – вспомогательная платформа; 12 – анкерные блоки для крепления платформы
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.
В этих 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.
В последнее 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.