ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА Российский патент 2015 года по МПК E02B7/06 

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.

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/м³) к галечникам переходных зон (2,1 т/м³) и упорным призмам из каменой наброски (1,9 т/м³).

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.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, в частности к строительству высоконапорных плотин из местных строительных материалов с негрунтовыми противофильтрационными элементами. Грунтовая плотина содержит в качестве противофильтрационного элемента утолщенную бетонную диафрагму 1. От бетонной подушки 10 диафрагма 1 отделена периметральным швом 11 и через интервалы по высоте в ней устроены продольные инспекционные галереи 5. На верховой грани бетонной диафрагмы 1 устроены горизонтальные швы-надрезы, 9 замыкаемые на инспекционные галереи 5, которые препятствуют раскрытию швов в сторону нижнего бьефа. Часть бетонной диафрагмы 1, расположенная над ее фундаментной частью, выполнена из укатанных послойно особо жестких бетонных смесей. На верховой грани диафрагмы 1 также устроен экран 7 из асфальтобетона или обогащенного цементным раствором укатанного бетона. Бетонная диафрагма 1 разрезана на отдельные секции вертикальными осадочно-деформационными швами 8. Обеспечивается повышение прочности противофильтрационного элемента плотины и возможность проведения требуемого ремонта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Грунтовая плотина, в качестве противофильтрационного элемента которой служит утолщенная бетонная диафрагма, которая отделена от бетонной подушки периметральным швом и в которой через интервалы по высоте устроены продольные инспекционные галереи, отличающаяся тем, что на верховой грани бетонной диафрагмы устроены горизонтальные швы-надрезы, замыкаемые на инспекционные галереи, препятствующие раскрытию швов в сторону нижнего бьефа, часть бетонной диафрагмы, расположенная над ее фундаментной частью, выполнена из укатанных послойно особо жестких бетонных смесей, при этом на верховой грани бетонной диафрагмы также устроен экран из асфальтобетона или обогащенного цементным раствором укатанного бетона.

2. Грунтовая плотина по п. 1, отличающаяся тем, что бетонная диафрагма разрезана на отдельные секции вертикальными осадочно-деформационными швами.