СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ НАХОДЯЩЕГОСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ТУРБИННОГО ВОДОВОДА
METHOD TO INCREASE RELIABILITY AND DURABILITY OF STEEL REINFORCED CONCRETE TURBINE WATER CONDUIT

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, в частности к гидротехническим сооружениям, и может быть использовано при повышении надежности и долговечности находящегося в эксплуатации сталежелезобетонного турбинного водовода.
Сталежелезобетонный турбинный водовод расположен на низовой грани бетонной плотины и жестко скреплен с плотиной. Водовод содержит внутреннюю металлическую (стальную) оболочку, которая обеспечивает герметичность водовода и воспринимает часть гидростатического и гидродинамического давления, и внешнею железобетонную облицовку, которая воспринимает остальную часть гидростатического и гидродинамического давления, а также защищает металлическую облицовку от коррозии и от обледенения в суровых климатических условиях (металлическую оболочку и железобетонная облицовку часто называются по-другому, например: в источниках [3, 4 и 5]: металлическая облицовка и железобетонная оболочка).
Недостатками сталежелезобетонного турбинного водовода являются недостаточная надежность и недостаточная долговечность его железобетонной облицовки, работающей в сложном напряженно-деформированном состоянии и подвергающейся атмосферным воздействиям в условиях сурового и особо сурового климата. Как показал опыт длительной эксплуатации вынесенных на низовую грань плотины таких известных водоводов, например Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС имени П.С. Непорожнего (далее: СШГЭС), их железобетонные облицовки постепенно разрушаются под воздействием многократного замораживания-оттаивания и неблагоприятного распределения влаги в них из-за возникающих термовлажностных градиентов. При том высоком уровне растягивающих напряжений, при котором работает бетон железобетонных облицовок напорных водоводов, наиболее распространенным видом дефекта являются трещины, которые обнаружены на всех водоводах.
Вода попадает в бетон железобетонной облицовки через трещины на внешнюю поверхность, как при атмосферных осадках, так и за счет конденсата, выпадающего из относительно теплого атмосферного воздуха при его соприкосновении с более холодной поверхностью трещины. В результате происходит выщелачивание цементного камня, а водонасыщенный бетон резко понижает морозостойкость [1].
В случае арочно-гравитационной плотины сталежелезобетонный турбинный водовод работает в особо сложных условиях из-за сложного напряженно-деформированного состояния плотины, с которой водовод жестко скреплен и работает совместно. Поэтому приводимые ниже технические решения-аналоги, а также предлагаемое изобретение оцениваются с позиции, прежде всего возможности их использования на находящейся в эксплуатации СШГЭС, особенности состояния и работы турбинных водоводов которой заключаются в следующем [2].
1. Водоводы воспринимают долю нагрузки на плотину и помогают ей держать гидростатический напор. Напряжения сжатия в металлических элементах продольного направления (металлическая оболочка, арматурные стержни) и в бетоне увеличиваются. В отдельных случаях напряжения сжатия в бетоне облицовки достигли предела прочности бетона.
2. Напряжения в элементах водовода от внешних сезонных температурных воздействий и технологии возведения конструкции соизмеримы с напряжениями от гидростатической нагрузки, а в некоторых измерительных точках существенно их превышают. Разогрев железобетонной облицовки в теплый период года увеличивает напряжения сжатия в элементах водовода, а промерзание водовода, особенно опорожненного, в холодный период года увеличивает напряжения растяжения в бетоне нижней части верховой (напорной) грани плотины. При этом в турбинном водоводе СШГЭС коэффициент линейного расширения примененной стали примерно на 30% превышает такой коэффициент бетона, что обуславливает неблагоприятное перераспределение напряжений в элементах водовода при сезонных изменениях температуры.
3. Турбинные водоводы запроектированы как нетрещиностойкие сталежелезобетонные конструкции. При образовании радиальных трещин бетон не воспринимает кольцевых усилий от внутреннего давления воды, а лишь передает давление от металлической оболочки кольцевой арматуре.
Большинство трещин имеет максимальное раскрытие от 0,1 до 0,8 мм. Мелкие трещины характеризуются извилистостью и в отдельных случаях образуют густую сеть. Крупные трещины имеют, как правило, значительную протяженность, возможно, являются сквозными и ориентированы главным образом параллельно оси водовода. Часть из этих трещин имеют субгоризонтальное направление, и они приурочены к межстолбчатым швам.
Основными факторами, влияющими на степень раскрытия трещин, являются температура бетона и давление воды в водоводе. Максимальное раскрытие трещин отмечается в холодный период года. Трещины, имеющие изначально большое раскрытие, как правило, имеют и большой сезонный размах. В непосредственной близости от большинства трещин на бетонной поверхности облицовки водовода наблюдаются наросты продуктов выщелачивания.
Известен способ, согласно которому надежность и долговечность сталежелезобетонного турбинного водовода, находящегося в эксплуатации, обеспечивают тем, что турбинный водовод снабжают ограждающей конструкцией с покрытием. Это покрытие выполняют из светопрозрачного материала и оно образует над турбинным водоводом обогреваемую полость [3].
Способ эффективно повышает надежность водовода и упрощает его эксплуатацию. Однако реализация этого способа связана со сложными и затратными работами при выполнении над водоводом ограждающей конструкции и при его эксплуатации.
Известен также способ, согласно которому в монолитной железобетонной облицовке турбинного водовода выполняют вентиляционные канаты, площадь поперечного сечения которых составляет от 1 до 10% от площади поперечного сечения железобетонной облицовки в зависимости от ее параметров [4].
Способ может быть реализован при возведении нового турбинного водовода. В случае турбинного водовода, находящегося в эксплуатации, по сути, потребуется создание дополнительной железобетонной облицовки вокруг существующей, что связано со сложными работами, высокими трудозатратами и расходованием большого объема материалов.
Известен также способ, согласно которому наружную поверхность железобетонной облицовки снабжают кровельным настилом из коррозионно-устойчивого листового материала (алюминий). Между кровельным настилом и железобетонной облицовкой располагают вентиляционные каналы, которые могут быть снабжены воздухозаборными устройствами с затворами с автоматическим или ручным приводом. В вентиляционные каналы могут быть размещены сменные инвентарные осушители воздуха и нагреватели для подогрева воздуха [5].
Способ может быть реализован как при строительстве, так и при реконструкции и ремонте турбинного водовода. Однако этот способ также связан с относительно сложными работами и высокими трудозатратами. Дополнительно, из-за высокой теплопроводности кровельного настила в холодный период года происходят чрезмерно высокие непродуктивные потери тепла из вентиляционных каналов, а в теплый период года чрезмерно слабая защита железобетонной облицовки от нагрева, что усложняет напряженно-деформированное состояние водовода. Все это снижает эффективность повышения надежности находящегося в эксплуатации сталежелезобетонного турбинного водовода.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение высокой эффективности повышения надежности находящегося в эксплуатации сталежелезобетонного турбинного водовода. Технический же результат заключается в упрощении работ, снижении трудозатрат и экономии материалов.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе повышения надежности и долговечности находящегося в эксплуатации сталежелезобетонного турбинного водовода, который содержит внутреннюю металлическую оболочку и покрытую сетью разноразмерных трещин внешнюю железобетонную облицовку, расположен на низовой грани бетонной плотины и жестко скреплен с плотиной, турбинный водовод снабжают защитным покрытием. Это покрытие выполняют путем нанесения на наружную поверхность железобетонной облицовки слоя утепляющей краски (жидкого теплоизолирующего материала), обеспечивающей за счет теплоизоляции железобетонной облицовки от атмосферного воздуха улучшение напряженно-деформированного состояния турбинного водовода, а за счет гидроизоляции - защиту железобетонной облицовки от разрушающих воздействий атмосферной воды. Утепляющую краску наносят при заполненном напорной водой турбинном водоводе, обеспечивающей своим давлением раскрытие на поверхности железобетонной облицовки трещин. Перед нанесением утепляющей краски из раскрытых трещин сжатым сухим воздухом удаляют влагу, а утепляющую краску наносят при температуре на сухой поверхности железобетонной облицовки положительной от 5 до 15°С, причем в два или более слоя, т.е. многослойно.
Именно выполнение защитного покрытия в виде многослойной утепляющей краски, наносимой на поверхность железобетонной облицовки в период раскрытия трещин по указанным правилам, обеспечивает достижение ранее указанного технического результата: упрощение работ, снижение трудозатрат и экономия материалов. Утепляющая краска проникает в каждую раскрытую и обезвоженную трещину на глубину, достаточную для качественной закупорки трещины и образования из этой краски анкера, который увеличивает скрепление утепляющей краски с поверхностью железобетонной облицовки.
Изобретение на примере плотины СШГЭС поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 изображен план гидротехнических сооружений СШГЭС [6, стр.20];
- на фиг.2 - поперечный разрез по станционной части плотины [6, стр.78];
- на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2, фрагмент поперечного сечения турбинного водовода.
Основным гидротехническим сооружением СШГЭС является бетонная арочно-гравитационная плотина, которая по длине состоит из 4-х частей: правобережная глухая 1, водосбросная 2, станционная 3 и левобережная глухая 4 (фиг.1). В нижнем бьефе плотины водосбросная часть 2 содержит водобойный колодец 5, водобойную стенку 6 и рисберму 7, а станционная часть - турбинные водоводы 8 и здание ГЭС 9.
Турбинный водовод 8 (фиг.2) имеет внутренний диаметр 7,5 м, содержит внутреннюю металлическую оболочку 10 и внешнею железобетонную облицовку 11, расположен на низовой грани 12 станционной части 3 бетонной плотины, жестко скреплен с плотиной и около 30 лет находится в эксплуатации. Железобетонная облицовка 11 содержит два арматурных кольца: внутреннее 13 и внешнее 14. Каждое это кольцо состоит из арматурных стержней: кольцевых 15 и продольных 16.
Наружная поверхность 17 железобетонной облицовки 11 покрыта сетью трещин 18, имеющих разную величину раскрытия (фиг.3).
Турбинный водовод 8 снабжают защитным покрытием 19. Это покрытие 19 выполняют путем нанесения на наружную поверхность 17 железобетонной облицовки 11 утепляющей краски (жидкого теплоизолирующего материала). Утепляющую краску наносят при заполненном напорной водой турбинном водоводе 8. Перед нанесением утепляющей краски из раскрытых трещин 18 сжатым воздухом удаляют влагу, а утепляющую краску наносят при температуре на сухой наружной поверхности 17 положительной от 5 до 15°С, причем в два или более слоя, т.е. многослойно.
Находящаяся в турбинном водоводе 8 вода создает внутреннее давление и обеспечивает тем самым раскрытие на поверхности железобетонной облицовки 11 трещин 18. Утепляющая краска проникает в обезвоженную трещину 18 на глубину, достаточную для качественного закупоривания трещины 18 и образования из краски анкера 20, который увеличивает скрепление защитного покрытия 19 с наружной поверхностью железобетонной облицовки 11.
Утепляющая краска (тоже: жидкий теплоизолирующий материал) представляет собой микроскопические, заполненные вакуумом керамические и силиконовые шарики, диаметром, соответственно 0,01 и 0,02 мм, которые находятся во взвешенном состоянии в жидкой композиции, состоящей из синтетического каучука, акриловых полимеров и неорганических пигментов. Эта комбинация делает материалы легкими, гибкими, растяжимыми, обладающими хорошей адгезией к покрываемым поверхностям. Уникальность изоляционных, гидроизоляционных и антикоррозионных свойств такой краски - результат интенсивного молекулярного воздействия разряженного воздуха, находящегося в полых шариках. Миллиметровое покрытие из качественной жидкой утепляющей краски делает сегодня то, что раньше могли сделать только толстые стены и сантиметры минеральной ваты и других привычных теплоизоляций.
Утепляющая краска может наноситься краскопультом при температуре на поверхности не ниже 5°С (минимальная температура образования пленки), но не выше 15°С, т.к. с повышением температуры происходит закрытие трещин.
Выбор конкретной утепляющей краски из множества, имеющейся на рынке, должен быть осуществлен после тщательного отбора. Предварительно же из российских таких жидких теплоизолирующих материалов может быть рекомендован «Теплос-Топ» и TSM-керамик.
Нанесение на поверхность трубчатого водовода 8 защитного покрытия 19 из утепляющей краски осуществляют снизу от здания ГЭС 9 и/или сверху с гребня 21 плотины. При пересечении турбинным водоводом 8 межстолбчатого шва 22 плотины СШГЭС толщину защитного покрытия 19 целесообразно увеличить.
Выполненное таким образом защитное покрытие 19 за счет теплоизоляции железобетонной облицовки 11 от атмосферного воздуха обеспечивает улучшение напряженно-деформированного состояния турбинного водовода 5, а за счет гидроизоляции - защиту железобетонной облицовки 11 от разрушающих воздействий атмосферной воды. Защитное покрытие 19 уменьшает размах сезонного колебания температуры в турбинном водоводе 8, особенно опорожненном. Это уменьшает напряжения сжатия в бетоне турбинного водовода 8 в теплый период года и уменьшает напряжения растяжения в бетоне, как турбинного водовода 8, так и в бетоне верховой грани совместно работающей с ним плотины в холодный период года.
Осуществление предложенного изобретения позволяет при повышении надежности и долговечности находящегося в эксплуатации сталежелезобетонного турбинного водовода, а вместе с ним и бетонной плотины в целом, упростить работы, снизить трудозатраты и экономить материалы, причем не только на СШГЭС, но и на Красноярской и других ГЭС. Изобретение так же может быть полезным при эксплуатации сталежелезобетонных турбинных водоводах ГАЭС, например на Загорской и Кайшядорской. На этих ГАЭС такие водоводы размещены на подготовленном свайном основании, работают под напором более 100 м, имеют внутренний диаметр 7,5 м и по длине температурно-осадочными компенсаторами разделены на секции.
Источники информации
1. Рассказчиков В.А., Уляшинский В.А. Физико-механические характеристики и механизм выщелачивания бетона в зоне трещин железобетонных облицовок турбинных водоводов Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство, 2008, №7.
2. Пермякова Л.С., Рассказчиков В.А., Уляшинский В.А., Епифанов А.П. Напряженно-деформированное состояние элементов напорного тракта турбин Саяно-Шушинской ГЭС // Гидротехническое строительство, 2008, №11.
3. Ягин В.П. Турбинное водопроводящее сооружение// Гидротехническое строительство, 2005, №7.
4. Патент Российской Федерации №2235826, кл. Е02В 9/06, опубл. 10.09.2004.
5. Патент Российской Федерации №2272866, кл. Е02В 9/06, опубл. 27.03.2006.
6. Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушинской гидроэлектростанций. Производственное издание. - Красноярск: Сибирский издательский дом «Суриков», 1999.