ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА
EARTH DAM

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, в частности к строительству высоконапорных плотин из местных строительных материалов с негрунтовыми противофильтрационными элементами.
Экономическая эффективность ГЭС (за исключением деривационных) в основном зависит от выбранной конструкции главного водоподпорного сооружения - плотины, которая определяет состав и компоновку прочих объектов гидроузла и, в конечном итоге, стоимость и сроки его строительства. В районах Крайнего Севера наиболее существенными факторами, влияющими на выбор типа плотины, являются суровые климатические условия и вечная мерзлота в основании сооружения.
Грунтовая плотина менее чувствительна к изменению деформационных свойств пород основания в процессе ее эксплуатации, что представляется крайне важным в районах распространения вечной мерзлоты.
Наиболее существенным вопросом при проектировании грунтовой плотины является выбор конструкции ее противофильтрационного элемента. В этом качестве обычно рассматриваются ядро или экран из суглинистого грунта, а при отсутствии в районе створа пригодных для этого материалов - экран или диафрагма из железобетона и асфальтобетона, а также различные виды инъекционных завес.
Что касается железобетонных экранов, получивших в последнее время довольно широкое распространение в странах, где отсутствуют резкие перепады температуры воздуха, нет явлений ледообразования в верхнем бьефе и других воздействий, способных привести к недопустимым деформациям экрана, то применение их в районах с суровыми климатическими условиями (с перепадом температур от +30°С летом до -60°С зимой), не представляется возможным.
По мере повышения высоты плотины увеличивается опасность разрушения экрана из-за неравномерности осадок ее тела. Эта опасность еще более возрастает в районах распространения вечномерзлых пород. Упорная призма, возведенная из смерзшегося грунта, в процессе эксплуатации начнет размораживаться, что приведет к дополнительным неравномерным ее деформациям.
Диафрагмы из бетона, железобетона или асфальтобетона, инъекционные завесы, а также их комбинации до настоящего времени применялись в плотинах высотой не более 100 м. Использование таких диафрагм при строительстве плотин, высота которых по сравнению с существующими аналогами увеличена более чем в 2 раза, неприемлемо.
Величина деформации вмещающего грунта может значительно превысить размер противофильтрационного элемента, что приведет к его разрушению.
Из-за неравномерных осадочных деформаций при растеплении пород в основании бортовых примыканий плотины и в русловой, уже растепленной ее части могут возникать неконтролируемые трещины как в бетонной диафрагме, так и в инъекционном ядре.
Качество инъектирования каменной наброски в таких масштабах практически невозможно проконтролировать, а необходимость остановки земляных работ на время выполнения очередного этапа электроотогрева промороженной насыпи и последующего ее инъектирования значительно увеличивает сроки возведения плотины и ее стоимость.
Общим и наиболее существенным недостатком таких конструкций является невозможность их ремонта и восстановления в случае необходимости.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в реализации инновационных решений, расширяющих возможности гидроэнергетического строительства за счет применения в качестве водоподпорного сооружения ГЭС грунтовых плотин в сложных природных условиях Крайнего Севера, а также в районах, где отсутствуют месторождения связных материалов, пригодных для использования в качестве противофильтрационного элемента плотины.
Практически эта задача была решена при разработке проекта Канкунской ГЭС на р. Тимптон в Республике Саха (Якутия) в варианте с грунтовой плотиной и ядром из укатанного бетона. Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 показан поперечный разрез плотины, на фиг.2 - продольный разрез А-А на фиг.1.
Были приняты следующие инновационные решения по конструкции и технологии возведения грунтовой плотины Канкунской ГЭС высотой 250 м.
Вместо обычно применяемой в грунтовых плотинах относительно тонкой и поэтому легко деформируемой диафрагмы из железобетона или асфальтобетона принята утолщенная до 20-25 м бетонная диафрагма 1, выполняемая с целью снижения стоимости сооружения, из укатанных послойно особо жестких бетонных смесей (RCC). Сопряжение диафрагмы 1 с породами основания обеспечивается ее фундаментной частью 2, расширенной до 50-55 м (в русле) и возводимой из вибрированного бетона. В основании ее предусматривается укрепительная цементация пород 3 и глубокая цементационная завеса 4.
В утолщенной бетонной диафрагме через определенные интервалы по высоте устраиваются продольные инспекционные галереи 5, используемые для осмотра, и в случае необходимости ремонта сооружения. Инспекционные галереи 5 сопрягаются с цементационными штольнями 6, имеющими выходы на дневную поверхность.
Фильтрационная прочность конструкции обеспечивается тонким (1,0-1,5 м) экраном из асфальтобетона 7, примыкающим к бетонной диафрагме 1 с верховой стороны. Состав и толщина асфальтобетона изменяются с высотой и подбираются в зависимости от действующих на данном уровне напряжений. Возможно также использование для этой цели других водонепроницаемых материалов, а также защитной оболочки из обогащенного цементным раствором укатанного бетона (GEVR) по аналогии с плотиной гидроузла Шон-Ла во Вьетнаме.
Утолщенная бетонная диафрагма 1 разрезана системой вертикальных осадочно-деформапионных швов 8 и горизонтальных швов-надрезов 9 и отделена от бетонной подушки 10 периметральным швом 11. Каждый горизонтальный шов-надрез 9 заканчивается в основании инспекционной галереи 5, которая служит компенсатором, ограничивающим дальнейшее раскрытие шва-надреза 9 в сторону нижнего бьефа. Со стороны верховой грани диафрагмы 1 в швах предусматривается противофильтрационное уплотнение.
Периметральный шов 11 позволяет уменьшить опасность возникновения растягивающих напряжений от сейсмических воздействий, которые могли бы привести к нарушению целостности цементационной завесы 4, а также сгладить влияние на бетонную диафрагму 1 местных неровностей скальной поверхности в ее основании. Вертикальные осадочно-деформационные швы 8 препятствуют возникновению в бетонной диафрагме I неконтролируемых трещин при неравномерной осадке основания в уже растепленной русловой его части 12 и в промороженных зонах бортовых примыканий 13 после их растепления в процессе эксплуатации. Раскрытие горизонтальных швов-надрезов 9 снижает вертикальные растягивающие напряжения в верховой грани бетонной диафрагмы 1.
3
3
3
Между бетонной диафрагмой 1 и упорными призмами из каменной наброски 14 отсыпаются переходные зоны из галечника и мелкого камня 15, обеспечивающие более благоприятное для восприятия сейсмических воздействий изменение плотностей материалов в теле плотины от бетона диафрагмы (2,3 т/м) к галечникам переходных зон (2,1 т/м) и упорным призмам из каменой наброски (1,9 т/м).
Более низкая относительно каменной наброски деформируемость материала переходных зон 15 снижает нагрузку на бетонную диафрагму 1, возникающую от зависания упорных призм 14 в процессе осадки и исключает проскальзывание их непосредственно по контакту с бетоном диафрагмы 1 или асфальтобетоном экрана 7.
Отсыпка упорных призм плотины 14 ведется круглогодично, тогда как возведение бетонной диафрагмы 1 и примыкающих к ней экрана из асфальтобетона 7 и переходных зон 15, учитывая суровые зимние условия Крайнего Севера, производится только в летний период. К концу лета отметки верха упорных призм 14, переходных зон 15 и бетонной диафрагмы 1 выравниваются.
Местоположение горизонтальных швов-надрезов 9 приурочено к сезонным остановкам бетонных работ. Сборная железобетонная опалубка инспекционных галерей 5 монтируется зимой, до начала летних бетонных работ. Поверхность бетона в пределах шва-надреза 9 покрывается битумом, а с низовой стороны выполняется комплекс работ по подготовке к бетонированию холодного строительного шва. Конструкции из сборного железобетона используются также для формирования низовой грани бетонной диафрагмы 1 и верховой грани асфальтобетонного экрана 7.
Предварительные исследования напряженно-деформированного состояния системы «плотина - основание», выполненные в плоской постановке, подтвердили работоспособность предложенной конструкции плотины и перспективность ее внедрения.