ДЕРИВАЦИОННЫЙ ТОННЕЛЬ

Полезная модель относится к гидротехническим сооружениям, а именно к строительству и ремонту напорных тоннелей ГЭС.
Наиболее близким к настоящей полезной модели по своей технической сущности и достигаемому результату является деривационный напорный тоннель, включающий бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий водяной слой (см. а.с. СССР №1161640, кл. Е 02 В 9/08, опублик. 1985).
Недостатком такого напорного тоннеля является невысокая стойкость его бетонной обделки из-за постоянного воздействия воды под давлением на бетонную обделку тоннеля как с внутренней, так и с наружной ее стороны. Под воздействием этой воды происходит постепенное разрушение бетона за счет вымывания из него окиси кальция.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи по созданию деривационного напорного тоннеля, позволяющего повысить срок службы тоннеля и снизить затраты на ремонтные работы, связанные с поддержанием в рабочем состоянии бетонной обделки тоннеля.
Актуальность поставленной задачи была подтверждена при проведении комплекса исследований по состоянию обделки и заобделочного пространства деривационного тоннеля Ирганайской ГЭС.
Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в снижении усилий, действующих на бетонную обделку тоннеля со стороны окружающей зацементированной породы, а также повышении эффективности гидроизоляции границы между зацементированной породой и бетонной обделкой.
Поставленная задача решена за счет того, что в деривационном тоннеле, включающем бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий слой, материал, образующий демпфирующий слой, расположен в полостях, образованных между бетонной обделкой и окружающей породой после выдержки обделки тоннеля под внутренним рабочим давлением в течение 1,5-2 лет, при этом демпфирующий слой образован путем проведения демпфирующего тампонажа с использованием тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости зацементированной окружающей породы.
Также за счет того, что тампонажный материал демпфирующего слоя представляет собой однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью.
Целесообразно использование в качестве тампонажного материала демпфирующего слоя однокомпонентного гидрофобного гидроактивного эластичного полиуретанового инъекционного состава с низкой вязкостью.
В указанную совокупность включены признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для достижения поставленного технического результата во всех случаях использования полезной модели, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Деривационный напорный тоннель представляет собой полую бетонную обделку, заключенную в окружающую породу, которую как правило, цементируют раствором для исключения образования в ней щелей, трещин и других нарушений.
Процесс сооружения напорного деривационного тоннеля начинается с проходки тоннельной выработки в породе. После проходки тоннеля и бетонирования его обделки, производят закрепление породы вокруг бетонной обделки путем нагнетания в породу цементного раствора. Нагнетание цементного раствора производится через шпуры, пробуриваемые в обделке после ее затвердения.
После схватывания цемента и проведения всех предварительных работ и испытаний, производится заполнение тоннеля водой под рабочим давлением. Образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и зацементированной породой производят после заполнения тоннеля водой под рабочим давлением, выдержки бетонной обделки под давлением воды в течении 1,5-2-х лет, сброса воды и выявления зазоров между бетонной обделкой тоннеля и зацементированной породой. Образование демпфирующего слоя осуществляют посредством проведения демпфирующего тампонажа заобделочного пространства нагнетанием демпфирующего тампонажного материала в местах выявленных полостей и зазоров.
Такой порядок проведения работ обусловлен следующими причинами.
При эксплуатации тоннеля бетонная обделка подвергается переменным нагрузкам от изменяющегося давления воды, пропускаемой по тоннелю. В значительной степени эти изменения будут зависеть от внешних условий сезонного характера. Кроме того, как показывают различные исследования (см. А.А.Шилин и др. «Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте», Тверь, 2003, с. 298) [1], величина предельной относительной усадки бетона достигает величины порядка 80% к 1,5 годам эксплуатации и
асимптотически приближается к своему максимуму к началу третьего года эксплуатации. Иными словами в период первых двух лет эксплуатации тоннеля, бетон обделки стенок дает значительную усадку, что в свою очередь вызывает образование полостей между бетонной облицовкой тоннеля и окружающими породами.
После этого первоначального периода в местах выявленных пустот и зазоров производят демпфирующий тампонаж заобделочного пространства путем нагнетания в эти места упругого тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости зацементированной окружающей породы.
Такое промежуточное значение модуля упругости тампонажного материала позволяет перераспределять возникающие в процессе эксплуатации тоннеля нагрузки на бетонную обделку тоннеля, снижая их при возникновении деформации окружающих пород с высоким модулем упругости или повышая сопротивление смещению бетонной обделки в сторону окружающих более слабых пород, (см. Г.Г.Зурабов и О.Е.Бугаева «Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций», М., Л., Государственное энергетическое издательство, 1962, с. 140-168) [2].
Как следует из [1], процесс усадки бетона во времени может происходить различно как по величине, так и по направлению, кроме того, как следует из [2], даже одна и та же порода в зависимости от трещиноватости, направления напластования и других условий ее залегания может иметь различную величину модуля упругости. Поэтому конкретную величину модуля упругости тампонажного материала подбирают экспериментальным путем.
Так, при проведении исследований конкретного тоннеля, проведенных после трехлетнего срока его эксплуатации было установлено, что в пределах верхнего полупериметра тоннеля за бетонной обделкой имеются полости небольшой глубины, но значительной
протяженности. Максимальная глубина полостей достигала 37 см, а средняя глубина полостей по всей трассе тоннеля составила 7 см. Также были обнаружены значительные по площади полости с раскрытием от 1 см.
Неглубокие пустоты до 1-2 см и менее возникли в силу того, что во время эксплуатации под воздействием напора воды наружные стенки бетонной обделки тоннеля перемещаются в сторону горной породы, а после снятия давления внутри тоннеля, его стенки возвращаются в исходное состояние, т.е. обделка работает под воздействием знакопеременного поля напряжений. В том случае, если модуль упругости материала обделки меньше, чем аналогичный показатель породного массива, зазор между ними также постепенно будет возникать за счет деформации кольца обделки. Учитывая, что тампонаж пород за обделкой проводят в большинстве случаев тампонажным раствором на основе цементов, модуль упругости которого ниже соответствующего модуля упругости обделки, за ней будут возникать пустоты, образование которых вызвано различной величиной упругой деформации материала обделки и горной породы. Причем глубина пустот будет тем больше, чем больше разница между модулями упругости и обусловленные этим деформации материала обделки и горной породы.
Наличие за обделкой в своде и по стенам тоннеля полостей даже малого раскрытия, ведет к изменению расчетной схемы и условий работы обделки. Когда горное давление действует с трех сторон (лоток и бока тоннеля) происходит выгиб обделки в сторону оводовой поверхности с разрушением не только бетона, но и металлических арок. Этому процессу способствует и наличие гидростатического давления воды.
Для исключения развития дальнейших деформаций свода обделки и его возможного обрушения необходимо выполнять демпфирующий тампонаж заобделочного пространства во всех местах, где наблюдаются пустоты и даже зазоры между внешней поверхностью обделки и породным массивом.
Очевидно, что особое внимание должно уделяться выбору материала для производства последующего тампонажа. Тампонажные материалы после отвердения должны обладать определенными свойствами, а главное быть упругими и при знакопеременных напряжениях в обделке тоннеля не должны способствовать формированию полостей между горной породой и обделкой. Таким образом, в деривационных тоннелях, после определенного времени эксплуатации необходимо выполнять демпфирующий тампонаж, который обеспечит проектные условия работы обделки.
В качестве такого материала может быть применен однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью «НА СUT» или однокомпонентный гидрофобный гидроактивный эластичный полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью «НА FLЕХ».
Оба состава производятся бельгийской фирмой «DЕ Nееf Сonstruction NV/SA» и в настоящее время поставляется в Россию в необходимых количествах. При использовании указанных составов имеется возможность регулировать степень расширения состава и прочность его на сжатие. Поскольку указанные свойства составов должны быть согласованы с физико-механическими характеристиками как бетона обделки, так и окружающих пород, которые в свою очередь определяются только опытным путем (см. [2], с. 163-168), конкретные составы могут быть подобраны только экспериментально.
По существу сооружение напорного тоннеля может считаться полностью законченным только после проведения операции демпфирующего тампонажа.