СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕТОННОЙ АРОЧНО-ГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛОТИНЫ, КОТОРАЯ СОЗДАЕТ ЗАМЕРЗАЮЩЕЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ, А ЕЕ ВЕРХОВАЯ ГРАНЬ ОБРАЩЕНА В ЮЖНУЮ СТОРОНУ
METHOD OF OPERATING CONCRETE CURVED GRAVITY DAM THAT CREATES FREEZING RESERVOIR AND HAS ITS TOP EDGE DIRECTED SOUTHWARD

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при эксплуатации бетонной арочно-гравитационной плотины в суровых климатических условиях в случае обращения ее верховой грани в южную сторону.
Бетонная арочно-гравитационная плотина имеет в плане криволинейный вид, а ее устойчивость и прочность обеспечиваются в основном действием собственного веса и частично работой плотины как свода с передачей нагрузки на скальные берега - борта ущелья. Такая плотина является переходным типом между гравитационной и арочной плотиной, обычно имеет большую высоту и ограниченное распространение. В России такая арочно-гравитационная плотина входит, например, в состав Саяно-Шушенской ГЭС (далее: СШГЭС).
При эксплуатации такой арочно-гравитационной плотины в относительно широком ущелье в нижней части верховой (напорной) грани в охлажденном после строительного периода бетоне с неизбежностью возникают растягивающие напряжения, которые превосходят безопасную (допустимую) величину. Эти напряжения приводят к бессистемному и опасному раскрытию горизонтальных трещин на верховой грани плотины, разуплотнению горных пород основания под верховым технологическим столбом плотины и раскрытию контакта «скала-бетон», что обуславливает необходимость проведения весьма сложных и недостаточно эффективных ремонтных работ. Все это в существенной мере снижает надежность плотины при ее эксплуатации [1, стр.115-143].
Известен способ, согласно которому плотину при эксплуатации снабжают ограждающей конструкцией, теплозащитное покрытие которой вместе с низовой гранью плотины образует отапливаемую греющими средствами полость, вмещающей в себя все турбинные водоводы и водосливную поверхность водосброса и обеспечивающей поддержание у низовой грани плотины положительную температуру в течение всего года. Этим самым для всей низовой грани плотины создают искусственный климат, близкий к оптимальному режиму, а именно: температура в полости всегда положительна, а сама полость защищена от атмосферных осадков. В результате такое тепловое воздействие обеспечивает целенаправленное, дополнительное относительно существующего обжатие бетона верховой грани плотины и горных пород в ее основании. Способ известен из источника [2, два последних абзаца], а оценка его эффективности дана в источнике [3].
Однако осуществление этого способа в полном объеме связано со сложными работами и высокими затратами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, согласно которому уменьшение растягивающих напряжений в бетоне у верховой грани плотины и в ее основании достигают путем теплового воздействия техническими средствами на тело верхнего арочного пояса и на вмещающие горные породы в местах примыкания его пят. При этом в качестве технических средств используют теплый воздух, подаваемый в продольные галереи и дренажные канавки, и воду, подогретую электронагревателями в тепловых скважинах [4].
Недостаток этого известного способа заключается в его недостаточно высокой эффективности из-за сложности работ и высоких затрат на их выполнение. Поэтому способ целесообразно применять в сочетании с другими более простыми и менее затратными способами.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности способа эксплуатации арочно-гравитационной плотины, в котором повышение температуры тела верхового арочного пояса плотины произведено посредством простых и низко затратных работ.
Указанная задача решается тем, что в способе эксплуатации бетонной арочно-гравитационной плотины, которая создает замерзающее водохранилище, а ее верховая грань обращена в южную сторону, согласно изобретению увеличивают интенсивность обогрева верхнего арочного пояса зимними солнечными лучами путем покрытия открытой поверхности льда слоем снега в заданной полосе, примыкающей к грани верхнего арочного пояса. Этот слой снега необходим для увеличения отражения солнечных лучей от зимней поверхности водохранилища.
Дополнительно:
- лед покрывают снегом путем задержания снега на поверхности льда преградами;
- верховую грань арочного пояса выше уровня льда в водохранилище покрывают слоем материала, который имеет темный цвет и увеличивает поглощение солнечных лучей арочным поясом;
- грань арочного пояса покрывают покрасочным слоем, который увеличивает коэффициент поглощения солнечных лучей до величины не менее 0,8.
Способность снега отражать солнечные лучи (лучистую энергию, радиацию, свет) примерно в два раза превышает такую способность льда. Коэффициент отражения солнечных лучей снега может достигать величины 0,9 и более. Падающие на снег перед верховой гранью плотины солнечные лучи отражаются и рассеиваются, при этом часть их возвращается в космос. Однако значительная часть отраженных солнечных лучей падает на верховую грань плотины и поглощается ею. В результате чего тело плотины, точнее ее верхнего арочного пояса, обогревается.
В настоящее время на СШГЭС гребень плотины превышает НПУ на 8 м, а УМО на 47 м. Поэтому расчетный уровень зимней поверхности водохранилища можно принять примерно на 15-20 м ниже гребня плотины, а ширину покрываемой снегом полосы, соответственно, примерно 45-60 м. Лед покрывают снегом путем его задержания временными преградами, например валками из снега, подаваемого с гребня плотины снегоуборочной машиной.
Дополнительно верховую грань арочного пояса плотины выше расчетного уровня льда в водохранилище целесообразно покрыть слоем лакокрасочного материала (краска, эмаль, лак), который имеет темный цвет и увеличивает коэффициент поглощения солнечных лучей до величины не менее 0,8.
В таких условиях в случае воспроизводства всех пунктов формулы изобретения существующий в настоящее время обогрев верхнего арочного пояса со стороны его верховой грани зимними солнечными лучами может увеличиться, по меньшей мере, в полтора раза. В результате чего заявителем ожидается при НПУ увеличение продольных напряжений сжатия в арочном поясе на 0,2 МПа, уменьшение наклона в сторону нижнего бьефа центральной секции плотины на 0,4 см и уменьшение в ней растягивающих консольных напряжений на 0,2 МПа.
Этот ожидаемый технический результат по отношению к плотине в целом невысокий. Однако он достигается малыми затратами, что обеспечивает способу высокую эффективность по отношению к ранее указанным и другим известным способам, в которых предусматриваются воздействия на напряженно-деформированное состояние бетонной арочной или арочно-гравитационной плотины и, в первую очередь, увеличение величины сжимающих напряжений в консолях.
Предложенный способ может быть воспроизведен как самостоятельно, так и совместно с другими способами аналогичного назначения.
Источники информации
1. Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Производственное издание. - Красноярск: Сибирский издательский дом «Суриков», 1999.
2. Ягин В.П. Турбинное водопроводящее сооружение // Гидротехническое строительство. 2005. №7.
3. Каганов Г.М., Волков В.И., Учеваткин А.А. Пути усиления некоторых типов арочных плотин в широких створах // Гидротехническое строительство. 2011. №8.
4. Патент Российской Федерации №2418911, кл. Е02В 7/10, опубл. 20.05.2011.