CC BY
34
повторное омоноличивание бетонных алотин И ЕГО
ВЛИЯНИЕ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ В. А. Ашихмен
ООО "Специальный проектно-изыскательский институт "ГИДРОСПЕЦПРОЕКТ" Россия, 109017Москва, Кадашевская наб., 6/1
Качественное повторное омоноличивание бетонной плотины, имеющее целью улучшение ее напряженно-деформированного состояния, возможно только при соблюдении специальной технологии, регламентированной отдельным проектом. Основу технологии составляет применение инъекционных растворов повышенной проникаемости в швы малого раскрытая.
Омоноличивание высоконапорных бетонных плотин методом цементации временных швов - межстолбчатых (в гравитационных и контрфорсных плотинах) или межсекционных (в арочных и арочно-гравитационных) является обязательной общестроительной операцией, без которой невозможно поставить сооружение под напор. Раскрытие таких швов в условиях бетона, который остыл до состояния среднеустановившейся температуры для своего региона, может составлять величину от 2-Змм до 1,5см. В таких условиях без проведения первичного омоноличивания плотина будет представлять из себя набор бетонных столбов, опирающихся друг на друга, чтобы не упасть, и ни в коей степени не обеспечивающих хоть малое подобие расчетного напряженно-деформированного состояния (НДС), которое предусматривалось проектом.
Следует признать, что при первичном омоноличивании, в силу чисто производственных причин (присутствие различных вынпрабок, наличие бетонных массивов с неодинаковым температурным режимом, неготовность охлаждающих систем и т.д. и т.п.), учесть все "глобальные" правила омоноличивания (цементация швов только снизу вверх, строго по ярусам - от берега до берега, при одинаково низкой температуре бетона и максимальном раскрытии швов и т.д.) просто невозможно. Поэтому в этот период преследуется цель в первую очередь до пуска агрегатов зацементировать все, что поддается инъекции, тем более, что при проектном или близком к нему температурном режиме бетона существующими технологиями этого добиться безусловно можно.
Иное дело, когда прошли 2-5 лет эксплуатации плотины при максимальных напорах. Эти годы можно считать самыми жесткими по условиям работы и в то же время определяющими для дальнейшего существования сооружения. Именно в это время происходит сложный процесс адаптации геосистемы "плотина-основание" к нарастающим до максимума напорам воды с последующими сработками водохранилища, к которым добавляются сезонные колебания температуры тела плотины. Этот процесс может привести и обычно приводит к непроектному перераспределению напряжений в этой системе, что, в свою очередь, ведет к деформациям, разуплотнению первично омоноличенной плотины и новым (повторным) раскрытиям зацементированных строительных швов.
Такая картина наблюдалась и наблюдается на всех построенных и строящихся бетонных плотинах и основным методом борьбы с дополнительными повторными раскрытиями строительных швов была дополнительная (повторная) их цементация. Цель таких инъекционных работ - заполнить цементом вновь раскрывшиеся швы, зафиксировав полученные деформации и соответствующее им НДС сооружения на достигнутом уровне, не давая, тем самым, им развиваться дальше в худшую сторону.
Надобность в повторной цементации строительных швов возникала при возведении высоконапорных бетонных плотин гравитационного и контрфорсного типов (Братской, Красноярской, Андижанской и др.), но обычными причинами этого были либо несоответствие между проектной и реальной температурами бетона при омоноличивании какой-либо группы карт, либо заведомо низкое качество инъектирования отдельных карт. Эти работы велись инъекцией в полости таких отдельных швов обычного цементного раствора через пробуренные скважины и пользы от этого дела было немного, хотя и ничего плохого в такой дополнительной цементации тоже, конечно, не было.
И только с началом строительства высоконапорных арочных плотин, надежность
которых в любом случае должна быть обеспечена, вызвало необходимость разработки специального технологического обеспечения такой серьезной общестроительной операции, как повторная, а тем более многократная, цементация строительных швов.
Поскольку сама идея повторного омоноличивания подразумевает работу с законченной строительством арочной плотиной, находящейся несколько лет в эксплуатации, то именно здесь можно осуществить на практике все обязательные технологические правила цементации швов, которые невозможно было реализовать в строительный период.
Во-первых, повторному омоноличиванию подлежит вся плотина: на всю высоту (от основания до гребня) и на всю ширину (от берега до берега), иными словами оно проводится, как ЕДИНОВРЕМЕННОЕ ЦЕЛЕВОЕ ОБЩЕСТРОИТЕЛЬНОЕ МЕРОПРИЯТИЕ.
Во-вторых, такое мероприятие обязательно должно быть подкреплено специальным проектом, а разработанная в нем технология должна быть нацелена на конечный результат -улучшение НДС плотины, или доведение его до проектного состояния.
В-третьих, для выполнения повторной инъекции все карты цементации, на которые рачгтрттршл все цементируемые швы, должны быть оснащены отдельной трубной цементационной системой, оборудованной специальными клапанными выпусками, предназначенными для и прыг кидания при определенном (в несколько раз большем, нежели при первичной цементации) давлении нагнетания цементного раствора в полость шва. После сброса давления в трубной системе клапаны должны закрываться, а система промываться от цементного раствора. Будучи промытой, она должна оставаться пригодной для последующего использования. При этом цементационные системы должны быть добротно смонтированы и аккуратно забетонированы, чтобы при первичной инъекции они сохранили герметичность.
В-четвертых, наиболее полного и плотного заполнения швов цементом можно достигнуть при их максимальном раскрытии, иными словами - при минимальных температурах бетона (Тпо.< Тусм, где Тпо - температура бетона при повторном омоноличивании, Тусм - температура бетона установившаяся среднемноголетняя) и наинизшем уровне воды в водохранилище. Такому состоянию плотины, как правило, соответствует зимне-весенний период.
В-пятых, повторное омоноличивание должно выполняться последовательно от нижележащих ярусов цементации к вышележащим, при этом каждый ярус должен быть обработан отдельно и полностью (т.е. все карты, подлежащие повторной цементации в ярусе, от начала до конца), причем все карты в ярусе следует цементировать в направлении от берегов к ключевому сечению.
В-шестых, при инъекции в каждый шов и в каждую карту необходимо добиться максимально возможного заполнения цементом при предельном расчетном давлении нагнетания раствора, которое должно обеспечить дополнительное раскрытие шва. При этом очень важно по окончании каждой инъекции получить остаточные деформации бетона, которые, накапливаясь от шва к шву по мере приближения к берегам, обеспечат преднапряжение плотины в пределах цементируемого яруса (рис. 1.).
Но даже выполнение всех указанных условий и правил желаемого результата не даст, поскольку выполнение задач повторного омоноличивания затруднено основным негативным производственным условием - наличием малых, сверхмалых и неравномерных повторных раскрытий швов.
Например, абсолютные значения таких раскрытий на арочных плотинах Ингури ГЭС и Миатлинской ГЭС колебались от 0,15мм (в среднем поясе) до 0,7мм (карты у гребня плотин) при среднем значении 0,25-0,35мм. Такие раскрытия абсолютно недоступны для проникания частиц цемента заводского помола. Отсюда и неизбежные очень быстрые отказы в поглощении раствора в самом начале инъекции. Именно поэтому, основой и стержнем всей технологии повторной цементации швов малого и неравномерного раскрытия является применение цементных растворов повышенной проникаемости (РПП), в которых после гидродинамического диспергирования полностью отсутствуют частицы крупнее 40-50мк [2].
Рис.1. Раскрытие строительных швов плотины при повторной цементации:
1 - первично зацементированный шов; 2 - последующее раскрытие шва после первичной цементации; 3 -дополнительное раскрытие шва при повторной цементации от давления нагнетания; 4 - остаточная деформация
шва после выполнения повторной цементации.
Диспергированные цементные растворы не только обеспечивают проникание частиц цемента в щели с раскрытием 0,15-0,4мм (рис.2.), но и обладают высокой стабильностью (нерасслаиваемостью), что позволяет даже после длительных остановок в нагнетании легко вымывать раствор из трубных цемсистем (при этом полезно дополнительно применять еще и добавку поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Раскрытие шва д , мм
Рис.2. Графики зависимости удельного расхода цементного раствора от величины раскрытия швов (арочная плотина Ингури ГЭС, цемент ИГЦ).
1, 2, 3 - соответственно стендовые испытания, опытно-производственная повторная цементация и массовая производственная повторная цементация обычным необработанным цементным раствором (В/Ц=3).
4, 5, б - то же цементным раствором повышенной проникаемостн (В/Ц= 1).
Именно это качество диспергированных растворов позволило сохранить трубные цемсистемы в картах омоноличивания плотины Ингури ГЭС, в которых в 1979-1980 гг. проводилась частичная повторная цементация. Только в этих картах, кстати впервые в отечественной практике, через 8 лет удалось провести вторую повторную инъекцию с использованием промытых цемсистем. Ни в одной из карт, где цементация велась обычным раствором, подобная операция не удалась.
Кроме того, кондиционные диспергированные растворы имеют пониженную вязкость, позволяющую прокачивать густые составы (В/Ц=1; 0,8; 0,6) на далекие расстояния и в тонкие швы, а также повышенную в 1,5-2 раза (по сравнению с необработанными растворами) прочность цементного камня.
Наиболее впечатляющим примером эффективной повторной цементации (разумеется с применением растворов повышенной проникаемости) является проведенное в 1986-1988г. г. полное повторное омоноличивание в арочной плотине Ингури ГЭС, возведенной на полную высоту.
Решение о ее проведении в строительный период было принято в целях улучшения напряженно-деформированного состояния плотины и улучшения ее эксплуатационной надежности. При этом предусматривалось, что любые дополнительные раскрытия швов, которые могли иметь место после проведения первичной цементации, будут ликвидированы при дополнительном (повторном) омоноличивании диспергированными растворами через трубную систему многократного действия.
Верхние ярусы омоноличивания - ХХ-ХХН (рис.З.) - имели наибольшие вторичные раскрытия швов, которые в картах, близких к ключевому сечению плотины, достигли
0,8мм, а к берегам - 0,5-0,Змм. Швы в пределах 1У-ХУ ярусов имели минимальные и постоянные раскрытия: свыше 80% - 0,2мм и менее. Швы ХУ1-Х1Х ярусов имели также достаточно малые раскрытия - от 0,5 до 0,2мм.
О 2 4 6 8 10 12
Поглощение цемента кг/м2
Рис.З. Арочная плотина Ингури ГЭС. Раскрытие строительных швов и заполнение их цементом при повторном омоноличивании по высоте плотины.
1 -- среднее раскрытие швов перед повторной цементацией; 2 - средний удельный расход цемента.
Всего было повторно зацементировано 162 300 м2 строительных швов.
Сравнительные данные по осредненным удельным расходам цемента на различных стадиях омоноличивания плотины с применением обычных и диспергированных растворов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Стадия омоноличивания и применяемый цементационный раствор Удельный расход цемента, кг/м
средний минимальный
Первичная цементация обычным раствором. Повторная цементация обычным раствором. Повторная цементация диспергированным раствором. Дополнительная повторная цементация диспергированным раствором. 14,6-25,2 2,26 7.4 3.5 1,7- 1,9 0,6 2,2 1.6
Анализ результатов повторной цементации швов малого и неравномерного раскрытия в плотине Ингури ГЭС показывает, что по количеству инъектированного в строительные швы цемента эффективность омоноличивания диспергированными растворами минимум в 2-3 раза выше, чем при использовании обычных растворов. Даже дополнительная повторная цементация через ту же трубную систему многократного действия оказалась качественней омоноличивания обычными растворами.
И еще один важный результат, достигнутый благодаря высокой эффективности сплошной повторной цементации арочной плотины Ингури ГЭС растворами повышенной проникаемости - удалось изменить напряженно-деформированное состояние плотины в лучшую сторону за счет ее преднапряжения, которое выразилось в значительном (на 25%-40%) уменьшении ее деформаций в сторону нижнего бьефа.
К настоящему времени прошло успешное дополнительное повторное омоноличивание растворами повышенной проникаемости части карт арочной плотины Миатлинской ГЭС.
В данном случае это омоноличивание в сезон 1998г. представляло собой второй этап повторной цементации швов, который осуществлялся через 11 лет после первого этапа. Первый этап проходил весной 1987г., когда повторно омоноличивались дефектные по температурным условиям первичной цементации карты в верхней части плотины - всего 27% от их общего количества.
Основной объем работ по повторному омоноличиванию второго этапа приходился на карте нижней части плотины, изначально плохо раскрытых - величина раскрытия швов составляла от 0,2мм (и менее) до 0,4мм, недоступных для проникания обычных цементов. Эти швы удалось зацементировать только благодаря применению диспергированных цементных растворов повышенной проникаемости. Благодаря им удалось повторно закачать в швы даже в нижней части плотины в среднем от 1,9кг до 2,2кг цемента на 1м2 цементируемых швов. Всего в этот период было повторно омоноличено около 45% всех карт.
Если учесть условия, в которых протекал этот этап омоноличивания, то нужно признать его общие результаты весьма положительными, отнеся этот успех за счет своевременного применения цементных растворов повышенной проникаемости.
Выводы
1. Полномасштабное повторное омоноличивание арочной плотины после нескольких первых лет эксплуатации под нагрузкой - эффективное средство повышения ее надежности и безопасности эксплуатации. Основное назначение такого омоноличивания - доведение ее напряженно-деформированного состояния до проектных параметров.
2. Повторное (многократное) омоноличивание должно осуществляться по специальному проекту с соблюдением обязательных технологических правил. Основой технологии повторной цементации швов, имеющих малые, сверхмалые и неравномерные раскрытия.
является применение цементационных растворов повышенной проникаемости. ЛИТЕРАТУРА
1. Бердичевский Г.Ю., Нониев И.К. Оценка напряженного состояния плотины по натурным показателям и проектным данным. // Гидротехническое строительство. 1991. № 2. с. 42-48.
2. Пронина Л.Э., Королев В.М., Ашихмен В.А. Свойства цементных растворов повышенной проникаемости. // Сб. трудов Гидропроекта. 1992. Вып. 155. с. 82-95.
3. V. A. Ashikhmen, L.E.Pronina. "Use of ffigh-Penetrability Cement Grouts in Hydraulic Construction", WCPU-green Power 2 - 2-nd International Conference 28-30 October, 1999, Three Gorges Project Site, China.
CONCRETE DAMS RE-GROUTING AND ITS AFFECT ON STRESS-STRAINED STATE
V.A. Ashikhmen
GIDROSPETSPROEKT Ltd
Kadashevskaya nab., 6/1, 109017 Moscow, Russia
High quality re-grouting of concrete dam for its stress-strained state improvement is possible only if we use spesial techniques regulated by separate project. This techniques is based on the application of high-penetrability injection grouts for filling of the joints with small opening widths.
Ашихмен Вячеслав Аркадьевич родился в 1937 году, окончил МИСИ им.Куйбышева в 1960 году по специальности инженер-гидротехник. Работает в институте "Гидроспецпроект" директором Мастерской №1. Принимал участие в проектировании и строительстве Братской, Красноярской, Токтогульской, Нурекской, Ингурской ГЭС. ГЭС Табка (Сирия) и гидроузла Аль-Кадиссия (Ирак). Участник ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Имеет 48 статей в журналах и 9 патентов.
Ashikhmen Vyacheslav Arkadyevich (b. 1937) graduated form Moscow Institute of Building Engineers on speciality Hidro-technical engineering. Author of 48 articles and 9 patents.
