СПОСОБ ОМОНОЛИЧИВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК E02B3/16 E02B1/00 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при омоноличивании гидротехнических сооружений.

Известен способ омоноличивания гидротехнических сооружений, включающий монтаж подающих систем с выпусками и нагнетание в швы цементного раствора (см. СССР а.с. 1386694, кл. Е 02 В 3/16, 1986 г.).

Недостатком данного способа является недостаточно высокое качество выполняемых работ.

Известен также принятый за прототип способ омоноличивания гидротехнических сооружений, включающий нагнетание в межсекционные швы цементного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества, предварительную его диспергацию и введение коагулянта (см. СССР а.с. 1758144, кл. Е 02 В 3/16, 1990 г.).

Недостатком данного способа является то, что не учитывается очередность цементации межсекционных швов. Тогда как правильно выбранная очередность цементации карт при первичном, повторном и последующем омоноличивании могут очень сильно влиять на напряженно-деформированное состояние сооружения, резко повышая его эксплуатационную надежность. Это объясняется следующим.

При цементации швов бетонных плотин развиваются очень большие напряжения, которые после заполнения швов твердеющим раствором консервируются в сооружении, т.е. осуществляется предварительное напряжение материала сооружения аналогично тому, которое возникает в балках при предварительном напряжении арматуры в них. Площадь карт швов достигает 300 м² и более, а давление раствора в шве, особенно начиная с повторного омоноличивания, может достигать 1 МПа и более.

Неправильно выбранная очередность цементации швов, а также непроизведенная укрепительная цементация основания сооружения могут привести к непроектному перераспределению напряжений и деформаций в сооружении, что снижает жесткость сооружения, его надежность и долговечность. Следовательно, данный способ не обеспечивает необходимую эффективность работ по омоноличиванию сооружения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работ за счет обеспечения возможности улучшения напряженно-деформированного состояния сооружения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе омоноличивания гидротехнических сооружений, включающем нагнетание в межсекционные швы цементного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества, предварительную его диспергацию и введение коагулянта, нагнетание цементного раствора в межсекционные швы осуществляют поярусно снизу вверх и от бортов к центру сооружения, а перед нагнетанием раствора в швы производят укрепительную цементацию основания сооружения, при этом измеряют перемещение секций в верхний бьеф.

При исследовании технического уровня предлагаемого изобретения не было обнаружено технического решения, обладающего признаками предлагаемого способа, на основании чего можно считать, что предлагаемое решение соответствует критерию "технический уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез гидротехнического сооружения (плотины) с секциями и ярусами омоноличиваемых швов; на фиг.2 - разрез по А-А (ключевое сечение),
на фиг.3 - план гидротехнического сооружения по гребню,
на фиг. 4 - схема расчета перемещений секций сооружения в верхний бьеф при омоноличивании швов.

Способ омоноличивания гидротехнических сооружений осуществляют следующим образом.

Выполняют укрепительную цементацию основания 1 сооружения.

Затем осуществляют нагнетание в межсекционные швы 2 сооружения диспергированного цементного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества (ПАВ). При этом в него вводят коагулянт.

Нагнетание раствора осуществляют в каждом ярусе 3 снизу вверх и от бортов 4 к центру сооружения.

Для получения наибольшего прогиба арочной плотины в сторону верхнего бьефа, т. е. достижения предварительного напряжения плотины в направлении, противоположном действию гидростатического давления воды, надо цементировать карты поярусно снизу-вверх плотины, а в пределах ярусов - от бортов к центру. В этом случае при цементации каждой последующей карты яруса мы будем как бы выталкивать ее в верхний бьеф, опираясь на уже омоноличенные секции, прогиб которых будет отсутствовать. Таким образом, прогиб секций в верхний бьеф с каждой картой цементации будет увеличиваться, т.к. он будет суммироваться с прогибом предыдущих секций от давления нагнетания раствора в швы и достигнет максимальной величины у центральной (ключевой) секции плотины. При такой очередности цементации карт в ярусе арочной плотины мы достигаем аналогичного эффекта, что возникает при омоноличивании секций гравитационных плотин в направлении от нижнего бьефа к верхнему, т.е. в направлении, обратном действию гидростатического давления воды.

Важность получения прогиба арочной плотины в сторону верхнего бьефа при цементации швов, то есть получение предварительного напряжения бетона сооружения для улучшения его напряженно-деформированного состояния, а следовательно, и повышения эксплуатационной надежности, можно дополнительно объяснить следующим.

Арочную плотину можно условно рассматривать как пространственную систему, каждый элемент которой принадлежит с одной стороны консоли, защемленной в основании, а с другой стороны - арке, опертой на борта. Распределение гидростатического давления воды между условными консолями и арками плотины определяется исходя из равенства их прогибов. При этом часть нагрузки, воспринимаемая консолью, вызывает консольные напряжения, а часть нагрузки, воспринимаемая аркой, вызывает арочные напряжения.

При цементации межсекционных швов давление нагнетания совпадает по направлению с арочными напряжениями и поэтому преднапряжение плотины непосредственно от давления нагнетания раствора в швы увеличивает абсолютную величину арочных напряжений, эти напряжения вызывают сжатие бетона условных арок сооружения.

Прогиб сооружения в верхний бьеф от давления нагнетания раствора в швы переместит и условную консоль в верхний бьеф, то есть в направлении, обратном действию гидростатического давления воды, при этом возникшие в ней напряжения будут обратными по знаку напряжениям от давления воды.

Увеличение арочных напряжений при цементации швов сооружения не опасно, так как они сжимающие и для бетона не опасны, а вот уменьшение абсолютной величины консольных напряжений, которые в некоторых зонах плотины часто бывают растягивающими и значительной, недопустимой величины, имеет большое практическое значение для надежной эксплуатации сооружения. Таким образом, чем на большую величину переместим (прогнем) сооружение при цементации швов в верхний бьеф, то есть в направлении, обратном действию гидростатического давления воды, тем в большей степени уменьшим опасные растягивающие напряжения в нем.

Для достижения наибольшего эффекта с точки зрения получения предварительного напряжения плотины от ее омоноличивания необходимо соблюдать следующее:
1. Цементацию швов сооружения осуществлять поярусно (т.е. целыми ярусами) снизу-вверх по высоте плотины и в пределах каждого яруса - от бортов к центру.

2. Перед нагнетанием раствора в швы производить укрепительную цементацию основания сооружения, иначе при цементации швов секций около основания перемещения секции в верхний бьеф не будет, а дополнительно раскрытие шва будет осуществляться за счет малого модуля деформации скалы основания. Укрепление скального основания инъекцией цементного раствора повышает его модуль деформации в 5 раз и более.

3. Цементацию швов следует выполнять при минимальном уровне воды в водохранилище, так как минимальное противодавление воды способствует наибольшему перемещению секций в верхний бьеф от давления раствора в швах.

4. Омоноличивание плотины следует выполнять при минимально возможной температуре бетона, что способствует наибольшему раскрытию швов и оптимальному распределению давления раствора в них.

5. Цементацию швов осуществлять с использованием растворов повышенной проникаемости (тонкодисперсные цементы, диспергированные растворы и т.д.) и растворов с регулируемым временем потери подвижности. Это позволяет более качественно зацементировать швы как с малым раскрытием, так и при наличии течей через шпонки и горизонтальные межблочные швы сооружения.

6. Цементацию швов следует производить при максимально допустимом давлении, что увеличит эффект предварительного напряжения бетона плотины.

Обоснование и вывод расчетных формул, используемых при выполнении данного способа омоноличивания гидротехнических сооружений
При цементации швов арочных плотин с радиальной разрезкой на секции (см. фиг. 4) силу давления раствора в шве (Р_р) можно разложить на две составляющие: горизонтальную (Р_г) и вертикальную (Р_в), направленную в сторону верхнего бьефа, то есть в направлении, противоположном действию гидростатического давления воды.

При этом
P_в = P_psinα (1)
где Р_р - результирующая давления нагнетания раствора в шов карты;
α - угол наклона сечения шва к горизонтальной оси.

Принимая во внимание, что перемещение секций от давления цементации пропорционально величинам действующих сил, можно записать:
δ_в = K_вP_в = K_вK_pP_psinα = K_cδ_psinα (2)
где δ_в и δ_p - перемещение секции от давления нагнетания раствора в шов карты в направлении к верхнему бьефу и перпендикулярно ко шву;
К_в, К_р и К_с - коэффициенты пропорциональности.

Учитывая, что при цементации карт в ярусе от бортов к центру каждая секция под действием силы Р_в будет перемещаться в сторону верхнего бьефа, то есть перемещение каждой последующей секции будет суммироваться с перемещением предыдущей секции и достигнет максимальной величины у центральной (ключевой) секции плотины, то перемещение каждой (i-той) секции арочной плотины в пределах яруса цементации в сторону верхнего бьефа (δ_вci) можно определить по зависимости:

где К_сi - коэффициент, учитывающий влияние на перемещение секции в верхний бьеф при цементации швов соседних секций этого яруса карт;
δ_pci - перемещение секций в направлении, перпендикулярном шву;
i - число секций в ярусе цементации, считая от борта сооружения до i-той секции, 1<i≤n, где n - число секций в ярусе от борта до центральной секции.

Учитывая, что цементация ярусов сооружения осуществляется снизу-вверх по высоте плотины, перемещение секции в верхний бьеф при цементации вышерасположенного яруса будет суммироваться с перемещением секции, полученным при цементации карт нижерасположенного яруса сооружения. При этом перемещение каждой (j-той) секции арочной плотины в сторону верхнего бьефа с учетом только ее перемещений при цементации нижерасположенных ярусов δ_вяj можно определить по зависимости:

где К_яj - коэффициент, учитывающий влияние на перемещение секций в верхний бьеф при цементации нижерасположенных ярусов;
δ_pяj - перемещение секции j-того яруса в радиальном направлении;
j - число нижерасположенных зацементированных ярусов карт,
1<j<m, где m - максимальное число нижерасположенных зацементированных ярусов.

Учитывая, что перемещение каждой секции в сторону верхнего бьефа при принятой очередности цементации швов снизу-вверх и от бортов к центру будет увеличиваться за счет перемещения секций при цементации карт в пределах яруса и нижерасположенных ярусов, общее перемещение секции (F_c) можно представить следующей зависимостью:

Максимальное перемещение в сторону верхнего бьефа будет наблюдаться у центральной (ключевой) секции арочной плотины F_cк, то есть при i=n и j=m, тогда F_ск = F'_ск + F''_ск;
где F'_ск - перемещение центральной (ключевой) секции яруса без учета ее перемещений при цементации нижерасположенных ярусов;
F''_ск - перемещение центральной (ключевой) секции плотины с учетом ее перемещений при цементации нижерасположенных ярусов.

или

Оценку эффективности предварительного напряжения сооружения за счет оптимального выбора порядка очередности цементации швов можно выполнить посредством определения коэффициента K₁, равного отношению напряжений в сооружении до выполнения (σ_o) и после выполнения (σ_ц) цементации швов.

При этом в первом приближении принимаем, что максимальные напряжения в сооружении до и после цементации швов пропорциональны максимальному прогибу (перемещению) центральной секции сооружения в нижний бьеф. Тогда расчетную формулу можно записать в следующем виде:

или, подставляя значение F_cк из формулы (6), получим

где F_o, F_ц - прогиб верха центральной секции арочной плотины до и после проведения цементации швов.

Для точной оценки эффективности предварительного напряжения сооружения от цементации швов определяют точную величину перемещений секций плотины в направлении верхнего бьефа при цементации швов, например, установив накладные (закладные) датчики или использовав геодезические методы. Затем вводят полученные данные в программу ЭВМ расчета сооружения и определяют реальное напряженно-деформированное состояние сооружения. Сравнивая полученные результаты с исходными, оценивают степень улучшения напряженно-деформированного состояния сооружения.

Пример выполнения предлагаемого способа
После ряда лет эксплуатации Ингурской арочной плотины (см. фиг.1, 2 и 3) выявлено, что вследствие деформации скального массива бортов и ложа водохранилища, а также разуплотнения самой плотины появились дополнительные раскрытия межсекционных швов, при этом в бетоне плотины появились значительные растягивающие напряжения и увеличились прогибы плотины в ключе.

С целью повышения эксплуатационной надежности плотины было решено выполнить повторную цементацию межсекционных швов десяти верхних ярусов плотины.

Цементация карт выполнялась при минимальном уровне воды в водохранилище и минимальной температуре бетона, что наблюдается в начале весеннего периода.

Цементацию карт проводили диспергированными растворами повышенной проникаемости, содержащими поверхностно-активные вещества и коагулянт, так как раскрытие швов невелико, а при наличии течей через шпонки и горизонтальные межблочные швы использовали растворы с регулируемым временем потери подвижности.

С целью достижения максимального эффекта предварительного напряжения бетона плотины вследствие обеспечения прогиба плотины в верхний бьеф от давления нагнетания раствора в карты цементацию карт решили проводить поярусно при максимально возможном давлении нагнетания, в очередности поярусно снизу-вверх плотины и от бортов к центру в каждом ярусе цементации.

В таблице 1 приведены перемещения в сторону верхнего бьефа каждой секции XXII яруса (δ_вс) при очередности карт от бортов к центру.

В таблице 2 приведены перемещения центральной (ключевой) секции в пределах каждого яруса цементации (F_cк) в сторону верхнего бьефа без учета ее перемещений при цементации нижерасположенных ярусов, определенные по первому плану расчетной формулы (6)

В таблице 3 приведены перемещения центральной (ключевой) секции плотины (F_cк) ярусов в сторону верхнего бьефа с учетом ее перемещения при цементации нижерасположенных ярусов, определенные по формуле (6)

при K_ci=K_яj=1 и δ_pi = δ_яj = 1 мм и δ_pi = δ_яj = 0,3 мм.
В реальных условиях величина допустимого дополнительного раскрытия швов от давления цементации, то есть перемещение соседней секции в направлении, перпендикулярном шву для карт в ярусе (δ_pc) и для ярусов (δ_ря), колеблются в небольшом диапазоне, особенно при повторной цементации швов. Поэтому принятие в расчет этих величин постоянными вполне оправдано.

На практике допустимое дополнительное раскрытие швов от давления цементации может достигать δ_pc = δ_ря = 0,5 мм, но остаточное раскрытие шва после его цементации и обжатия цементного камня в шве силами упругого последействия деформированных секций, то есть величина K_c•δ_pc по данным показаний закладных и накладных датчиков в среднем равна 0,3 мм. Поэтому в таблице 3 приведены данные перемещения центральных секций ярусов цементации в сторону верхнего бьефа при K_c•δ_pc = 0,3 мм как наиболее вероятные. Из приведенных данных видно, что перемещения центральных (ключевых) секций ярусов цементации в сторону верхнего бьефа могут достигать значительных величин (до 20 мм).

Если учесть, что реальный наблюдаемый прогиб центральной секции рассматриваемой плотины до повторной цементации десяти верхних ярусов был равен 118 мм, то эффект от предварительного напряжения плотины после повторной цементации, определенной по формуле (7), свидетельствует об уменьшении опасных растягивающих напряжений до 0,83 от первоначальных значений, то есть они уменьшились на 17% или в 1/0,83=1,20 раза.

Таким образом, эффект по уменьшению опасных растягивающих напряжений в бетонных арочных плотинах от предварительного напряжения плотины при правильном выборе очередности цементации швов может быть значительным.

При цементации швов, используя различные приборы и методы (закладные и накладные датчики или геодезические методы), можно определить перемещение каждой секции плотины на разных ее уровнях (отметках) в сторону верхнего бьефа от давления цементации швов при выбранной очередности карт. Затем, заложив полученные данные в программу расчета сооружения на ЭВМ, можно получить более точное изменение напряженно-деформированного состояния сооружения с учетом предварительного напряжения его давлением цементации швов. При правильном выборе очередности цементации швов этот эффект может быть значительным.

Предлагаемый способ омоноличивания гидротехнических сооружений позволяет повысить эффективность работ за счет обеспечения возможности улучшения напряженно-деформированного состояния сооружения.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при омоноличивании гидротехнических сооружений, в том числе с малым раскрытием швов. Способ омоноличивания гидротехнических сооружений включает нагнетание в межсекционные швы цементного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества, предварительную его диспергацию и введение коагулянта. Нагнетание цементного раствора в межсекционные швы осуществляют поярусно снизу вверх и от бортов к центру сооружения. Перед нагнетанием раствора в швы производят укрепительную цементацию основания сооружения, при этом измеряют перемещение секций в верхний бьеф и определяют напряженно-деформированное состояние сооружения. Изобретение позволяет повысить эффективность работ за счет обеспечения возможности улучшения напряженно-деформированного состояния сооружения. 4 ил., 3 табл.

Способ омоноличивания гидротехнических сооружений, включающий нагнетание в межсекционные швы цементного раствора, содержащего поверхностно-активные вещества, предварительную его диспергацию и введение коагулянта, отличающийся тем, что нагнетание цементного раствора в межсекционные швы осуществляют поярусно снизу вверх и от бортов к центру в пределах каждого яруса сооружения, а перед нагнетанием раствора в швы производят укрепительную цементацию основания сооружения, при этом измеряют перемещение секций в верхний бьеф.