Глава 16. Омоноличивание временных швов бетонных плотин

16.1. Общие положения

Как следует из гл.14, в период твердения бетон в блоках разогревается, а затем остывает до эксплуатационной температуры. В процессе остывания происходят деформации отдельных блоков и столбов, швы между ними раскрываются и для обеспечения монолитности работы требуется исключить отрицательное влияние этих раскрытий швов. При различных системах разрезки на блоки бетонирования условия раскрытия швов разные, а следовательно, мероприятия также разные.

Особенно сильно раскрытие швов сказывается при столбчатой разрезке. В связи с этим после остывания бетона до температур, ниже которых в будущем бетон в сооружении остывать не будет, производят так называемое омоноличивание швов, т.е. заполнение швов ("щелей") каким-то материалом. Для плотин с тонкими межстолбчатыми швами омоноличивание осуществляют путем цементации, а для плотин с объемными швами – путем бетонирования,

При секционной системе разрезки межблочные швы в пределах секции отсутствуют и раскрываются только межсекционные швы. В гравитационных типах плотин отдельные секции работают самостоятельно, поэтому омоно­личивание межсекционных швов не требуется.

Для арочных плотин необходима совместная работа секций как в консольном, так и в арочном направлении. Поэтому для этих плотин тре­буется омоноличивание, также и межсекционных швов.

Омоноличивание может потребоваться и при смешанной системе раз­резки, например, при комбинации столбчатой и секционной.

В связи с трудностью обеспечения в швах хорошего сцепления цементного раствора с бетоном столбов необходимо создавать условия, при кото­рых материал в швах работал бы только на сжатие. Для этого в плоскости шва создают штрабы с ориентацией плоскостей по траекто­рии главных напряжений. В результате по этим площадкам отсутствуют скалывающие напряжения и имеются только сжимающие (рис.16.1).

Рис. 16.1. Схема траекторий главных напряжений в плотине и ориентировка плоскостей штрабления в швах

I – траектории главных напряжений; 2 – узел I и II – ориентировка плоскостей штрабления в различных частях плотин

16.2. Омоноличивание швов с помощью цементации

Омоноличивание тонких межстолбчатых (для гравитационных плотин) и межсекционных (для арочных) швов осуществляют путем цементации этих швов. Как следует из предыдущего, бетон в сооружении в процессе эксплуатации принимает температуру, близкую к среднегодовой. Поэтому цементацию швов во избежание будущего дополнительного раскрытия в принципе необходимо проводить именно при температурах, близких к сре­днегодовой или ниже, когда дальнейшие температурные деформации в столбах уже не будут иметь места.

Омоноличивание выполняют до принятия напора омоноличиваемой части сооружения. Обычно в качестве расчетной температуры омоноличивания сооружения принимают среднемноголетнюю температуру бетонной кладки в районе расположения швов.

Качество цементации в значительной степени зависит от величины раскрытия шва. Максимальное раскрытие швов от равномерных температурных деформаций (без учета перекосов столбов от неравномерного распределения температуры) можно определить, используя общую формулу температурных деформаций: .

Подставляя значения и для нашего случая, получаем:

, (16.1)

где: и – длина блоков в столбах 1 и 2; и – начальные средние температуры в соседних столбах, соответствующие моменту начала раскрытия шва; и – конечные средние температуры в соседних столбах, соответствующие моменту омоноличивания плотины (рис. 16.2).

Рис.16.2. К определению величины раскрытия межстолбчатого шва: а) расчетная схема столбов, б) температурный режим в столбах

1, 2 – номера столбов плотины; 3 – цементируемый шов; 4 – высота яруса цементации; 5 – раскрытие шва при равномерном остывании столбов; 6 – дополнитель­ное раскрытие шва от перекоса столба из-за неравно­мерности температуры по толщине столба; 7,8 – , – кривые изменения средних температур в омоноличиваемых частях (картах); 9,10 – , – средние температуры в столбах 1 и 2 в период начала раскрытия швов, , – время начала раскрытия швов и время омоноличивания; 11, 12 – , – средние температуры в столбах 1 и 2 в период омоноличивания

За момент начала раскрытия шва следует принимать момент дости­жения максимальной температуры экзотермии во втором столбе, уклады­ваемом с отставанием по времени от первого.

Фактически по данным натурных наблюдений на ряде плотин деформа­ции несколько меньше, и поэтому необходимо вводить корректирующий ко­эффициент, равный 0,25–0,5. В то же время дополнительно необходимо учитывать перекос столбов от неравномерности изменения температуры в столбе (блоке) как в горизонтальном сечении, так и в вертикальном (рис. 16.2). Дополнительное раскрытие швов может достигать существен­ной величины.

Желательно, чтобы средняя температура в омоноличиваемых столбах была как можно ближе к среднегодовой эксплуатационной, т.е. для массивных сооружений близкой к среднегодовой температуре воздуха. Однако из-за сложности охлаждения до такой температуры часто температуру назначают несколько выше, если выполняется условие, при котором температурные напряжения от последующего дополнительного остывания бетона после цементации не превышают напряжений по плоскости шва от гидростатического давления и было исключено дополнительное раскрытие зацементированных швов. Исходя из этого температура омониличивания швов остается в пределах 5–10°С. Например, температура ононоличивания на плотинах Братской и Красноярской ГЭС 5–8°С, Ланджанурской – 13°С, Ингурской – 14°С, Саяно-Шушенской – 2–7°С.

Поскольку омоноличивание таких швов осуществляют нагнетанием в шов цементационного раствора, то качественная цементация зависит и от величины раскрытия и от проникающей способности растворов. Как показывают экспериментальные исследования, полное заполнение шва обычным цементным раствором без добавок возможно при раскрытиях швов более 0,5 мм. При меньших раскрытиях для полного заполнения шва необходимо применять специальные растворы с пластифицирующими добавками или да­же суперпластификаторами.

Среднее раскрытие швов на строительстве Красноярской ГЭС соста­вило 1–1,5 мм.; на Саяно-шушенской 1,5–3,0 мм.

Раскрытие швов зависит от температурного режима блоков, а, следо­вательно, от сезона укладки. Поскольку разогрев бетонных блоков, ук­ладываемых в летний период, больше, чем блоков, укладываемых в зим­ний период, то и соответственно раскрытие летних швов больше, чем зимних, и их легче цементировать.

Нагнетание цементного раствора в шов осуществляется через специ­альную систему труб с выпусками, закладываемыми в бетон при бетониро­вании плотины. Выпуски должны располагаться равномерно, чтобы обеспе­чить подачу раствора во все части шва. Для обеспечения равномерного заполнения шва и возможности создания давления при нагнетании раство­ра омоноличиваемые швы делят на отдельные участки на так называемые карты цементации. Карты цементации, находящиеся на одном уровне по всей длине плотины, образуют ярус цементации (рис.16.З).

Рис. 16.3. Схема разбивки межстолбчатых швов на ярусы и карты цементации

I – секции плотины; 2 – межстолбчатые швы; 3 – ярус цементации; 4 – карта цементации; 5 – уплотнение по контуру карты

По контуру каждой карты устанавливают шпонки – уплотнения. Шпонки выполняют из различных материалов: металлических листов, синтети­ческих материалов, резины, дерева.

Длина карты цементации обычно равна ширине секции. Высоту карты выбирают из условия отсутствия растягивающих напряжений в столбах от давления раствора при нагнетании более 0,1 МПа. По опыту высота ярусе колеблется в пределах 8–20 м., площадь карты 80–600 м² (табл. 16.1).

Таблица 16.1. Размеры карт цементации на построенных плотинах

Наименование гидроузла	Высота плотины, м	Тип плотины	Высота яруса цементации, м	Площадь карты цементации,м²
Братская ГЭС Красноярская ГЭС Усть-Илимская ГЭС Ланджанурская ГЭС Чиркейская ГЭС Ингурская ГЭС Шаста (США) Глен-Каньон Боулдер	127 121 100 67 230 271,5 181 216 226	Гравитационная То же То же Арочная То же То же Гравитационная То же То же	9 9–12 15 12 13 15 15 15 15	130–200 100–180 165 80 450 200–300 225 До 600 225

Все карты оборудуются трубной цементационной системой с выпуска­ми для подачи цементного раствора. Система включает подводящий и от­водящий коллекторы, систему разводящих труб – питателей, цементацион­ные выпуски и воздухоотводящую трубу (рис. 16.4). Число выпусков опре­деляется из расчета 3–6 кв. м на один выпуск. Применяют различные конст­рукции выпусков (рис. 16.5, а, б, в). Наибольшее применение при цементации швов получили точечные тарельчатые выпуски однократного действия.

Рис.16.4. Схема трубной цементационной системы

I – подводящий коллектор; 2 – питатели; 3 – выпуски; 4 – воздухоотводящая штраба; 5 – шпонки; 6 – отводящий коллектор; 7 – цементируемые швы

В случае если первичная цементация проходила при более высоких температурах по сравнению с требуемыми, предусматривают вторичную цементацию. Для этого применяют специальные выпуски с автономной системой труб, позволяющие производить промывку этой системы после первичной цементации (рис. 16.5, в, г).

Рис. 16.5. Схемы цементационных выпусков (клапанов): а, б – вы­пуски для первичной цементации; в, г – выпуски для вторичной цементации (а – тарельчатый; б – линейный; в – типа «капитен»; г – с резиновым клапаном (Гидроспецстрой))

I – крышка; 2 – обмазка цементным раствором; 3 – тройник; 4- питательная труба; 5 – хомут; 6 – резиновый клапан; 7 – шпилька; 8 – фланец корпуса; 9 – треугольный короб; 10 – цементируемый шов

Возможно и совмещение первичной и вторичной систем цементации, но это не всегда возможно, так как первичная цементация производится при значительных раскрытиях швов с применением густых растворов, ко­торые могут засорить трубы и клапаны.

Технология цементации. Перед проведением инъекции производят промывку системы, водонасыщение бетона со стороны шва и гидравличес­кое опробование. Промывку трубной цементационной системы осуществля­ют через отводящий коллектор сверху вниз. Воздухоотводящую трубку промывают нагнетанием воды через подводящий коллектор. Промывку ведут до полного осветления вытекающей из трубы воды. При гидравлическом опробовании определяют общее водопоглощение шва и утечки при разных режимах движения, расход воды из воздухоотводящей штрабы, который характеризует проходимость шва.

Показатель хорошей проходимости шва – расход через воздухоотводящую штрабу не менее 30 л/мин. Опробование начинают с нагнетания воды при давлении 0,5 – 0,7 от допустимого, увеличивая далее ступенями по 0,1 – 0,2 МПа. Продолжительность опробо­вания не менее 30 мин. Нагнетание раствора начинают не позднее 12 ч после промывки.

Раствор приготовляют на стационарных и передвижных установках. Для повышения проникающей способности в раствор добавляют пластифика­торы. Цементацию обычно начинают с жидких растворов при В/Ц = 5:1. Циркуляцию раствора продолжают до выравнивания плотности нагнетаемого раствора и раствора, выходящего из воздухоотвода, после чего перехо­дят на следующую ступень густоты раствора, и так постепенно сгущают его до конечной консистенции, которая обычно составляет 1:0,6. При омоноличивании плотины Братской ГЭС применялись следующие консистенции: В/Ц = 5:1, 3:1, 2:1, 1:1, 0,8:1, 0,6:1. На строительстве Красноярской ГЭС – 5:1, 1:1, 0,8:1, 0,6:1. Нагнетают раствор до достижения отказа или конечной консистенции. За отказ принимают момент, когда расход раствора не превышает 1 л/мин. В этот период обычно прекращается выход раствора через воздухоотводящую трубу. Далее производят еще сгущение раствора и опробование его в течение 10-15 мин.

Очередность омоноличивания швов по профилю плотины определяют по принципу от низового столба – к верховому и снизу вверх. Инъек­ция может осуществляться как раздельно по каждой карте, так и по групповой схеме. Более качественная цементация имеет место при раздельной схеме. Недостатки групповой – в наличии разных раскрытий швов, что требует разной технологии (давлений) и составов растворов.

Цементационное оборудование обычно размещают в дренажных и инспекционных галереях плотин или в специальных галереях. Растворные узлы располагают в галереях через 150 – 200 м по длине плотины, а при облегченных плотинах – в полостях.

В процессе цементации необходимо строго соблюдать технологичес­кий режим, следить за допустимыми давлениями. Для этого швы снабжают соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой (КИА) в виде щелемеров, тензометров и др.

Для улучшения условий проходимости шва и соответственно качест­ва цементации предусматривают предварительное дополнительное его рас­крытие до допустимых размеров путем повышения давления при цементации.

Работы по омоноличиванию очень трудоемки и продолжительны по времени. Например, трудозатраты на плотине Красноярской ГЭС состави­ли 0,4 чел/дня на 1 м² при общей площади 280000 м², что требовало око­ло трех лет при численности бригады 100 человек.

Контроль качества омоноличивания. Основным показателем качества омоноличивания является соответствие напряженного состояния тела пло­тины расчетным проектным предпосылкам. Однако прямая проверка этого критерия возможна только после наполнения водохранилища. Поэтому для оценки качества применяют косвенные методы, заключающиеся в контроле выдерживания всех технологических требований на всех этапах цемента­ции, особенно температурного режима в омоноличиваемых столбах и бло­ках и проходимости системы при конкретных раскрытиях шва.

В период цементации особенно важен контроль за расходом и плот­ностью раствора, подаваемого в шов, и раствора, выходящего из воздухоотводной трубы. По замеренным значениям плотности определяют водоце­ментное отношение

, (16.2)

где и – плотности раствора и цемента. Результаты цемента­ции обычно характеризуют общей массой израсходованного цемента на 1 м² площади шва. По опыту этот расход составляет в среднем 5–10 кг/м² (Братская плотина – 7,7–7,8 кг/м², Гранд-Диксан 5,7–10,8 кг/м²).

Для конечного контроля качества проходят контрольные скважины, подсекающие зацементированные швы в различных зонах с отбором и испы­танием кернов. В результате определяют сплошность цементации, проч­ность контакта и водопроницаемость.