Сравнение вариантов конструкции высокой каменной плотины в условиях Якутии

СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОЙ КАМЕННОЙ ПЛОТИНЫ В УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ

A COMPARISON OF DESIGN OPTIONS WITH A HIGH STONE

DAM IN YAKUTIA

М.П. Саинов, Ф.В. Котов

M.P. Sainov, F.V. Kotov

ГОУ ВПО МГСУ

В статье анализируются различные варианты конструкций высокой каменной плотины : плотина с железобетонным экраном, плотина с асфальтобетонной диафрагмой. Показано, что на сегодняшний день надёжной конструкции такой плотины не существует.

The paper analyzes various options for designs with a high stone dam: a dam with concrete face, a dam with bituminous concrete diaphragm. It is shown that to date, reliable construction of such dams do not exist.

В настоящее время на р.Тимптон в Республике Саха (Якутия) проектируется Кан-кунский гидроузел с максимальным напором 226 м. Для создания водохранилища необходимо построить плотину высотой 230,5 м и длиной около 1 км. Основным вопросом проектирования гидроузла является выбор типа плотины, т.к. климатические условия района строительства очень суровые. Температура воздуха изменяется от +30°С летом и до -56°С зимой, а лето длится лишь три месяца. В этих условиях возведение бетонной плотины очень затруднительно и целесообразно строить грунтовую или комбинированную (грунтово-бетонную) плотину.

В районе створа нет глинистых грунтов, потому противофильтрационный элемент грунтовой плотины может быть только негрунтовым (бетон, асфальтобетон, грунтоцемент и др.). Однако среди всех каменных плотин мира нет ни одной высотой более 200 м, построенных в зоне вечной мерзлоты. Такие высокие плотины строят с железобетонным экраном, да и то только в тёплом климате. При этом некоторые из них оказываются ненадёжными1. В створе Канкунской ГЭС не будет возможности опорожнять водохранилище для ремонта, поэтому её плотина должна обладать повышенной надёжностью и ремонтопригодностью.

Многие организации предлагают разные конструкции каменной плотины. Одни предлагают устраивать в плотине двойной противофильтрационный элемент, а другие

1 Например, в экране плотины Кампос Новое (205 м) в Бразилии образовались крупные трещины, для ремонта которых потребовалось опорожнять водохранилище

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

- создавать комбинированные плотины. В комбинированных плотинах давление верхнего бьефа воспринимает массивная бетонная конструкция (стена), расположенная внутри или на границе грунтовой плотины. Иногда бетонная стена возводится только в нижней части плотины, а в верхней напор воспринимает противофильтрационных элемент грунтовой плотины.

Наша задача - оценить надёжность предложенных вариантов плотин. Их было 5 :

1. С центральным бетонным ядром (стенкой), возведенным на всю высоту плотины (242,5 м). Конструкция предложена «Гидроэнергопроектом».

2. С асфальтобетонной диафрагмой в металлической опалубке-облицовке, возведенной на всю высоту плотины. Вариант разработан в ФНК «Инжиниринг».

3. С высоким (136 м) бетонным "постаментом" и асфальтобетонной диафрагмой над ней (высотой 106,5м). Конструкция предложена «ЛенГидропроектом».

4. С массивным бетонным ядром на всю высоту плотины, внутри которого дополнительно устраивается асфальтобетонная диафрагма. Конструкция предложена «ЛенГидропроектом».

5. Комбинированная плотина с железобетонным экраном, опирающимся на бетонную плотину высотой 93 м. Конструкция предложена «МосОблГидропроектом».

Оценка прочности и устойчивости этих плотины проводилась на основе расчётов их напряжённо-деформированного состояния (НДС). Расчёт велись методом конечных элементов с помощью вычислительной программы «КББ-№>, разработанной на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ (к.т.н. Саиновым М.П.). Особенностями программы являются учёт нелинейности деформирования грунтов, последовательности их нагружения при строительстве плотины, а также возможность моделирования работы швов и трещин. Расчёты велись только на основное сочетание нагрузок, учитывались только собственный вес плотины, давление бьефов, а также фильтрационное противодавление на бетонные конструкции.

Плотина с центральным бетонным ядром

«Гидроэнергопроект» предложил в качестве противофильтрационного элемента использовать массивное бетонное ядро, разрезанное по высоте горизонтальными швами на 6 блоков (для ликвидации растягивающих напряжений). В швах укладывается асфальтобетон. Бетонное ядро имеет переменную толщину по высоте (10 м в верхней части, 25 м - в средней, 60 м у основания).

Расчёты НДС плотины показали, что наличие жёсткого бетонного ядра внутри каменной насыпи ведёт к зависанию грунта на нём. Наибольшие осадки бетонного ядра составляют 5,1 см, а низовой призмы - 55 см. Ядро работает как жёсткая консоль, под действием давления верхнего бьефа он прогибается сторону нижнего бьефа. Наибольшие смещения ядра составили 118 см. За счёт больших смещений бетонного ядра в верховой упорной призме формируется призма обрушения, что приводит к проскальзыванию грунта верховой призмы относительно бетона. Здесь осадки грунта достигают 160 см.

Напряженное состояние бетонного ядра - неблагоприятное (рис.1). Из-за изгиба на его гранях образуются зоны концентрации растягивающих и сжимающих напряжений, а горизонтальные швы - раскрываются. В верхней части ядра растянута низовая грань, шов на У542,5 м. раскрывается на длину 8 м (32% от длины шва). В нижней части ядра растянута её верховая грань (2,9 МПа), а низовая сжата напряжениями до 38 МПа.

Но самое опасное явление - образование трещины на контакте «бетон-скала», глубина которой составляет 40 м, т.е. более половины ширины сечения. Максимальное раскрытие контактного шва составляет 75 мм, что конечно не допустимо.

Рис.1. Состояние плотины с центральным бетонным ядром

Таким образом, конструкция не является надёжной. Прочность контакта "бетон-скала" не обеспечена, а возникающие сжимающие и растягивающие напряжения превосходят прочность бетона.

Плотина с асфальтобетонной диафрагмой на всю высоту плотины ФНК «Инжиниринг» предложил возводить каменную плотину с диафрагмой из укатанного асфальтобетона, хотя ни одной плотины этого типа с такой высоты в мире нет. Толщина диафрагмы - изменяется от 0,4 м на гребне до 4 м у подошвы. Диафрагма облицовывается металлическими листами опалубки.

По расчётам горизонтальные смещения диафрагмы достигнут 100 см (рис.2). Вследствие этого в верховой призме сформируется массив обрушения, а грунт вдоль диафрагмы будет находится в предельном состоянии. Нарушение прочности грунта вызовёт повышенные осадки верховой призмы (130 см).

Рис.2. Перемещения плотины с асфальтобетонной диафрагмой

При этом напряжённое состояние самой диафрагмы - благоприятное. Растягивающих напряжений можно ожидать только в узле сопряжения диафрагмы с основанием. Шов между диафрагмой и скалой по расчёту раскроется на глубину 2 м.

Таким образом, возводить высокую плотину с асфальтобетонной диафрагмой -рискованно.

Плотина с бетонным постаментом и асфальтобетонной диафрагмой

ОАО "Ленгидропроект" разработал вариант комбинированной плотины, с бетонным постаментом в нижней части плотины и асфальтобетонной диафрагмой - в верх-

5/2011

ВЕСТНИК МГСУ

ней. Высота постамента 136 м, его ширина поверху составляет 15 м, понизу - 80 м. Диафрагма имеет высоту 106,5 м, её толщина увеличивается по глубине от 0,4 м на гребне до 1,0 м.

Расчёт НДС этой конструкции показали, что её основной недостаток - неблагоприятное напряжённое состояние бетонного постамента. Из-за давления верхнего бьефа он испытывает сильный изгиб в сторону нижнего бьефа : гребень смещается на 48,0 см, а подошва - лишь на 7 см. При этом низовая грань оседает на 8,2 см, а верховая грань - поднимается на 9,0 см.

Изгиб бетонного постамента вызывает появление растягивающих напряжений на его верховой грани величиной до 4.2 МПа (рис.3). За счёт сильного зависания грунта на постаменте и изгиба сжимающие напряжения на низовой грани постамента достигают 40.0 МПа, что выше прочности бетона на сжатие.

Рис.3. Состояние плотины с асфальтобетонной диафрагмой и бетонным постаментом

Не обеспечивается и прочность контакта бетонного постамента со скалой. Там образуется трещина на треть ширины подошвы с раскрытием до 10 см.

Асфальтобетонная диафрагма плотины имеет благоприятное напряжённое состояние, но надёжность бетонного постамент не обеспечена. В нём будут образовываться трещины и разрушаться бетон.

Плотина с массивным бетонным ядром и асфальтобетонной диафрагмой внутри

После неудачи с вариантом комбинированной плотины с асфальтобетонной диафрагмой и бетонным постаментом, ОАО "ЛенГидропроект" разработал вариант с двойным противофильтрационным элементом. Он представляет собой бетонную стенку на всю высоту плотины (227,5 м), внутри которой устроена асфальтобетонная диафрагма переменной толщины (от 0,8 м до 2,2 м). Ширина бетонной стенки по основанию составляет 85,8 м (37% от высоты плотины), по верху - 8,8 м. Нижняя часть конструкции представляет собой бетонный зуб, отделённый от остальной части стены швом.

Прогиб бетонной стенки под действием давления верхнего бьефа составил 27,3 см (смещения гребня составляют 33,4 см, а подошва - всего на 6,1 см). Наблюдалось проскальзывание грунта относительно стены.

Несмотря на изгиб, бетон стены находится в сжатом состоянии. Зона растяжения локальна по размерам и величине (до 1,3 МПа). Неблагоприятным фактом является развитие на низовой грани стены зоны значительных сжимающих напряжений (до 32,7 МПа).

Данная конструкция является ограниченно пригодным для реализации. Его недостатком является то, что контакт "бетон-скала" раскрывается на длину 23 м (27% от ширины подошвы) (рис.4). Его максимальное раскрытие составило 3,5 см.

Рис.4. Состояние плотины с центральным бетонным ядром и асфальтобетонной диафрагмой

внутри её

Комбинированная плотина с железобетонным экраном

ОАО "МосОблГидропроект" разрабатывал вариант конструкции плотины, в которой грунтовая плотина с железобетонным экраном имеет верховую подпорную стену из укатанного бетона. Бетонная стена и имеет массивную конструкцию. При высоте 93,0 м её ширина по основанию составляет 130 м, а в верхней части - 66 м.

Предполагалось высокое уплотнение каменной насыпи под экраном. По расчётам её максимальная осадка составила 82 см, а максимальное смещение - 48 см.

Напряжённое состояние каменной насыпи и бетонной стены - благоприятное. Бетон стены испытывает сжатие (величиной до 22 МПа). Контакт "бетон - скала" работает удовлетворительно. Зона раскрытия контактного шва имеет длину 5 мине доходит до цементационной завесы.

Неблагоприятным является НДС нижней части железобетонного экрана. Эта часть экрана смещается относительно бетонной стены. В периметральном шве это смещение достигло 23 см, что вызвало его раскрытие на 18,0 см. Такие раскрытия недопустимы. При максимальные перемещения не так уж велики : осадка достигает 42,4 см, а смещение - 52,4 см.

Нижняя часть экрана растянута в направлении вдоль экрана. Верховая грань растянута на длине 37 м, низовая - на длине 50 м (рис.5). Максимальное растягивающее напряжение на верховой грани достигает 9,0 МПа, на низовой - 11,3 МПа.

Рис.5. Главные напряжения на верховой грани железобетонного экрана комбинированной

плотины

Таким образом, в этой комбинированной конструкции бетонная стенка "чувствует" себя хорошо, но железобетонный экран работает не надёжно. Возникающие в эк-

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

ране (в зоне сопряжения со стенкой) растягивающие напряжения не могут быть восприняты арматурой, а целостность уплотнений периметрального шва будет нарушена.

Выводы:

1. Устройство высоких бетонных конструкций внутри каменной насыпи нецесооб-разно. Им приходится воспринимать практически всё давление воды верхнего бьефа, т.к. каменная наброска очень деформируема. Тонкие бетонные стены ненадёжны, т.к. не обеспечивается прочность их контакта со скалой, а также прочность самого бетона на сжатие и растяжение. Чтобы выдержать давление воды, профиль бетонных стен должен быть очень массивным (ширина должна составлять не менее 35-40% от высоты плотины). В этом случае он ничем не лучше строительства обычной бетонной плотины2.

2. Строительство высоких каменных плотин с асфальтобетонной диафрагмой -рискованно. Такие конструкции - не ремонтопригодны. Большие смещения низовой призмы могут вызвать нарушение устойчивости верховой призмы. Возможно, имеет смысл рассмотреть вариант с диафрагмой, наклонённой в сторону нижнего бьефа.

3. С точки зрения надёжности бетонной стены наиболее удачной является её комбинация с грунтовой плотиной с железобетонным экраном. Однако, как показывают опыт эксплуатации плотины Exchequer (США) и наши расчёты, в такой плотине возникают проблемы с прочностью нижней части железобетонного экрана и надёжностью узла сопряжения экрана с бетонной стенкой. Тем не менее, возможны иные, более надёжные, варианты конструкций высоких каменных плотин с железобетонным экраном.

4. Целесообразно рассмотреть конструкцию каменной плотины, в нижней части которой противофильтрационным элементом является цементационная завеса [1].

Литература

1. Заирова В.А., Филиппова Е.А., Орищук Р.Н., Созинов А.Д., Радченко С.В. Выбор про-тивофильтрационного устройства в вариантах плотин Канкунского гидроузла // Гидротехническое строительство, 2010, № 2.

References

1. Sairova V.A., Filippova E.A. Orishuck R.N., Sosinov A.D., Radchenko S.V. An Selection of impervision unit in variants of the dams Kankun HPP // Hydrotechnical Construction, 2001, №2.

Ключевые слова : каменная плотина с железобетонным экраном, асфальтобетонная диафрагма, напряжённо-деформированное состояние

Key Words: concrete-face rockfill dam, bituminous concrete diaphragm, stress-strain state

Телефоны авторов :(499) 261-31-43 e-mail авторов :mp_sainov@mail.ru

Статья представлена Редакционным советом»Вестника МГСУ»

2 По этой причине проектная организация (ОАО "ЛенГидропроект") предпочла грунтовой плотине бетонную