6.3 Розподіл (розрізка) бетонних споруд
Бетонні споруди, які мають значні розміри як у плані, так і за висотою, завжди розподіляють на блоки бетонування та секції. Розподіл споруди на секції здійснюється постійними деформаційними швами, які забезпечують самостійні переміщення сусідніх секцій, що відбуваються під впливом змін навантажень, температурних деформацій, осідання основ і т.п. Деформаційні шви розрізають споруду зверху донизу на всю ширину; вони перекриваються спеціальними водонепроникними конструктивними елементами, що називаються шпонками. Ширина деформаційних швів звичайно складає від 10 до 30 мм. Розміри секцій визначаються конструкцією споруди і можуть складати від 30 – 40 до 80 – 100 м.
Розподіл споруди на блоки бетонування здійснюється тимчасовими будівельними швами за умов забезпечення неперервності виробництва бетонних робіт в процесі бетонування окремих конструктивних елементів, коли кожний робочий шар укладеної бетонної суміші має бути перекритим наступним шаром до початку тужавіння цементу, і недопущення у забетонованому масиві виникнення в процесі гідратації бетонної суміші високих температур і небезпечних напруг, які могли б призвести до утворення тріщин. Оскільки будівельні шви є тимчасовими, то по мірі зведення споруди їх обов’язково омонолічують шляхом нагнітання цементного розчину (цементація швів).
Розміри блоків бетонування визначаються виробничими умовами – продуктивністю бетонного заводу, транспортних засобів, бетоноукладальних механізмів та засобів внутрішньоблочної механізації, а також можливостями відведення надлишкового тепла, що виділяється в процесі гідратації цементу. Для відведення надлишкового тепла при бетонуванні масивних бетонних споруд у ряді випадків у бетонний масив укладають труби, якими пропускають охолоджену воду, в блоки бетонування подають охолоджену бетонну суміш, проводять зрошення поверхні укладеного бетону холодною водою. В зимовий період для запобігання утворенню великих перепадів температури укладеного бетону всередині блока і на його поверхні, а також можливого заморожування бетону проводять заходи по утепленню блоків бетонування, підігрівають заповнювачі бетонної суміші і воду.
Розміри блоків бетонування багато в чому залежать від системи розрізання споруд на блоки бетонування. В практиці гідротехнічного будівництва застосовуються наступні основні системи розрізання: стовбчаста, ярусна с перев’язкою швів («дніпровська»), секційна (довгими блоками), пошарова, а також ряд комбінацій і різновидів цих систем (рис. 6.2).
При стовбчастому розподілі (рис. 6.2 а) по довжині шви йдуть по одній вертикалі на всю висоту споруди. Такий розподіл дозволяє зменшити температурний перепад між внутрішніми та зовнішніми зонами блоку, який може стати причиною утворення тріщин. Стовпи, що будуються окремо, мають порівняно великий модуль відкритої поверхні, що прискорює віддачу внутрішнього тепла. Завдяки стовбчастому розподілу з’являється можливість сприйняти напір води і ввести гідровузол у тимчасову експлуатацію при неповній готовності бетонної греблі шляхом випереджувального зведення стовбів з боку верхнього б’єфа. До недоліків стовбчастого розподілу відносять велику порівняно з іншими видами розподілу витрату опалубки та великий обсяг цементації. Стовбчастий розподіл найчастіше застосовують при зведенні масивних гребель висотою понад 60 – 70 м. Такий розподіл було застосовано під час будівництва гребель Братської, Усть-Ілімської, Красноярської та Саяно-Шушенської, Гувера, Шаста, Гренд Кулі, Фонтана.
а б в
Рисунок 6.2 – Схеми розрізання споруд на блоки бетонування:
а – стовбчаста розрізка; б – ярусна розрізка; в – секційна (довгими блоками)
При ярусному розподілі (рис. 6.2 б), або розподілі на блоки з перев’язкою швів, споруда розбивається по висоті на яруси. Кожен ярус у плані ділиться поперечними і подовжніми швами на блоки бетонування, шви кожного попереднього ярусу перекриваються блоками наступного, відбувається якби перев’язка швів, звідси і назва «з перев’язкою швів». Цей спосіб іноді називають дніпровським, тому що вперше був застосований на будівництві Дніпровської ГЕС. Пізніше такий розподіл було застосовано під час будівництва гребель практично всіх гідровузлів Дніпровського і Волзького каскадів. Поярусний розподіл дозволяє встановлювати розміри блоку в плані в залежності від можливої інтенсивності бетонування, зменшити модуль опалублюваної поверхні, а також обсяг цементації. До його недоліків відносять обмеження інтенсивності бетонування, необхідність послідовної укладки бетону в яруси на всю ширину споруди, що ускладнює штраблення греблі по довжині споруди у випадку введення гідровузла у тимчасову експлуатацію при недобудованій греблі.
Розподіл на блоки бетонування гребель аркової конструкції (рис. 6.2 в), як правило, виконується без подовжніх швів. Поперечні тимчасові будівельні шви в плані розташовують радіально і перекривають блоками наступного яруса.
Секційна система розрізання довгими блоками передбачає розрізання греблі горизонтальними блоками, що мають у плані розміри, рівні розмірам секції і більше. При розмірах блоків, більш ніж розмір секції, міжсекційні шви утворюються шляхом попередньої установки в них спеціальної опалубки або шляхом нарізання цих швів після бетонування.
Секційна система має ряд різновидів. Основними з них є:
– секційна система з багатошаровими довгими блоками;
– секційна система з одношаровими довгими блоками із звичайного бетону;
– секційна система з одношаровими довгими блоками з укатаного жорсткого бетону.
Секційна система з багатошаровими довгими блоками
Сутність системи. Укладаються блоки, розмір яких в плані дорівнює розміром секції, а висота – до 3 м, невеликими по товщині шарами (0,3 – 1,0 м) із звичайного бетону (рис. 6.3).
а б
Рисунок 6.3 – Схема секційної розрізки з багатошаровими довгими блоками:
1 – міжсекційні температурно-осадкові шви; 2 – горизонтальні блокові шви;
Нбл – висота блоку; hш – товщина шару
Перевагами даної системи є:
– великі планові розміри блоків, що поліпшує умови механізації внутрішньоблокових робіт;
– відсутність міжстовбчатих будівельних швів у межах секції, а отже, відсутність необхідності в омонолічуванні блоків (в цементації) для масивних і масивно-контрфорсних гребель.
Для аркових гребель питання омонолічування зводиться тільки до цементації міжсекційних швів. Відсутність міжстовбчастих швів в аркових греблях зменшує в цілому кількість швів і забезпечує більш визначену просторову роботу греблі.
Недоліком даної системи є виробничі складності у забезпеченні температурних умов в блоках.
У зв'язку зі складністю забезпечення необхідного температурного режиму для виключення тріщиноутворення ця система в основному застосовується в середніх і сприятливих кліматичних умовах, де відсутні різкі коливання температур і де легше виконання технологічних заходів, що забезпечують умови тріщиностійкості довгих нерозрізних блоків. Найбільш широке застосування ця система знайшла в основному в зарубіжній практиці, зокрема в США, де висота блоків бетонування прийнята 1,5 м. У вітчизняній практиці ця система не знайшла широкого застосування. Є тільки досвід бетонування блоків довжиною близько 50 м з площею близько 750 м² (гребля Бухтармінської ГЕС).
Секційна система з одношаровими довгими блоками із звичайного бетону
Сутність системи полягає в укладанні блоків, якомога великих планових розмірів з висотою блоку, що дорівнює товщині шару із звичайного бетону (рис. 6.4). У цьому випадку терміни перекриття шарів не регламентують, так як блок складається з одного шару і укладання його можна вести досить тривалий час, в залежності від потужності бетонного господарства.
Рисунок 6.4 – Схема секційної розрізання з одношаровими блоками:
а – вигляд з верхнього б’єфа, б – план; в – розріз
1 – міжсекційні температурно-осадкові шви, утворені дворядною залізобетонною опалубкою; 2 – горизонтальні міжблочні шви; 3 – залізобетонна опалубка в два ряди;
4 – отвори в залізобетонній опалубці; 5 – ущільнення температурно-усадкових швів
Товщина шару (висота блоку) залежить від типу і потужності засобів ущільнення (вібраторів, пакетів вібраторів) і становить 0,75 – 1,5 м.
Температурний режим забезпечується тими ж заходами, що і в схемі з багатошаровими блоками, тобто поверхневим охолодженням, у разі необхідності – трубним охолодженням.
Основною перевагою цієї системи є можливість практично повної комплексної механізації всіх елементів бетонних робіт та отримання високих темпів укладання. На будівництві греблі Альпе-Джера в Італії середньодобова інтенсивність укладання бетону досягала 3825 м³, а максимальна – 7620 м³.
Недоліком цієї системи є труднощі створення температурних умов для запобігання тріщиноутворення. Потрібна або сезонна робота або влаштування тепляків або шатро над усією частиною греблі, що бетонується і це ускладнює її застосування в суворих умовах (при від’ємних температурах).
Так само, як і в попередній системі, сфера її застосування обмежується тими ж умовами. Вперше така система розрізання була застосована в Італії на будівництві греблі Альпе-Джера. В греблю укладався пісний жорсткий бетон в один шар товщиною 70 см від берега до берега. Бетон до місця укладання подавали автосамоскидами, розрівнювали бульдозерами і ущільнювали пакетами вібраторів, укріплених на тракторі. Через кілька годин після бетонування в укладеному шарі нарізали усадкові шви, для чого використовували спеціальні машини. Необхідний температурний режим забезпечували, застосовуючи пісний бетон з малою витратою цементу (витрата в центральній частині 113 кг/м³) та природним поверхневим охолодженням. При низьких температурах в зимовий і весняний періоди бетонування греблі припиняли.
У СРСР ця система розрізання застосовувалася при зведенні споруд так званим «Токтогульским» методом. «Токтогульский» метод укладання бетону полягає в тому, що так само, як і на Альпе-Джера, укладання бетону велося одним шаром, але на відміну від Альпе-Джера передбачено наявність як міжсекційних, так і, в разі потреби, міжстовбчастих будівельних швів.
Ці шви утворювалися шляхом установлення збірної залізобетонної опалубки.
Секційна система розрізання з одношаровими довгими блоками з укатаного твердого бетону
Основна суть та ж, що і для попередньої системи (рис. 6.4). Різниця полягає в тому, що в блок укладають не звичайний, а жорсткий бетон, що ущільнюється котками (так званий укатаний жорсткий бетон). Товщина шару при цьому дорівнює, за даними практики, 0,3 – 0,5 м в залежності від складу бетону і потужності котків для ущільнення.
Температурний режим блоків забезпечується в основному малою витратою цементу (до 100 – 120 кг/м³) та додатково заміною частини цього цементу золою-уносу, що сильно знижує температуру екзотермічного розігріву, а отже, температурні перепади.
Основні переваги та недоліки ті самі, що і в попередній системі. Крім того, застосування укатаного бетону по всій ширині дамби, в тому числі і в напірній грані, викликає певні технологічні ускладнення, особливо в суворих кліматичних умовах. Зазвичай для напірної грані передбачають укладання звичайного бетону, що вібрується. У цих випадках для суворих кліматичних умов найбільш раціональною може виявитися змішана система розрізання з комбінацією стовпчастої та секційної систем розрізання.
Змішані системи розрізання
Крім викладених вище трьох основних систем розрізання на блоки бетонування і їх різновидів, існують різні їх поєднання (рис. 6.5). Найбільш перспективна з них змішана система розрізання з комбінації стовпчастого розрізання та секційного довгими блоками. При цій системі напірна грань виконується у вигляді монолітного стовпа із звичайного бетону з дотриманням усіх технологічних вимог щодо запобігання тріщиноутворення для стовпчастої системи розрізання. Основна низова частина греблі зводиться з секційним розрізанням довгими блоками. У залежності від застосовуваного типу бетону це можуть бути або довгі блоки із звичайного бетону («Токтогульский» метод) або довгі блоки з укатаного бетону.
а б в
Рисунок 6.5 – Змішані системи розрізання з комбінацій стовпчастого розрізання та секційного довгими блоками:
1 – стовпчаста система; 2 – довгі блоки; 3 – арматурний пояс; 4 – високі довгі блоки («канадська» система)
Змішана система розрізання дозволяє застосовувати прогресивну технологію з розрізанням довгими блоками в районах з суворими кліматичними умовами. При цьому для витримування необхідного температурного режиму можлива така організація робіт, при якій блоки в верхових стовпах бетонують в зимовий час, а довгі блоки в іншій частині – влітку.
Можлива й інша конструктивна схема комбінації цих систем (рис. 6.5 б), при якій в прискельній зоні споруда бетонується стовпами, а у верхніх частинах у віддаленні від основи – довгими блоками із звичайного бетону.
У першому ярусі довгих блоків над стовпами влаштовують армований пояс для запобігання тріщиноутворення в цьому і вище розташованих ярусах від деформацій нижніх стовпчастих масивів. Це дозволяє вести бетонні роботи по стовпчастій системі при неповністю закінченому і організованому бетонному господарстві з переходом на довгі блоки у віддаленні від основи при хорошому розвитку та організації всього бетонного господарства за повною проектною схемою. Така система частково застосовувалася на будівництві греблі Красноярської ГЕС.
Змішаною системою розрізання є також так звана «канадська» система довгими і одночасно високими блоками (рис. 6.5 в). У цій системі передбачається можливість збільшення не тільки довжини блоків до розмірів секцій, але і висоти блоків до граничних розмірів за умовами організації робіт і кріплення опалубки (з практики канадського греблебудівництва – до 22 м). Бетонування ведуть в опалубці спеціальної конструкції, яка кріпиться на жорстких металевих фермах.
Така система застосовувалася під час будівництва ряду контрфорсних гребель в Канаді. Для цієї системи необхідно особливо хороша організація масових бетонних робіт із самого початку будівництва. У практиці вітчизняного будівництва така система не знайшла поширення через складність і дорожнечу влаштування опалубки з великою несучою здатністю і складністю забезпечення необхідного температурного режиму.