CC BY
125
УЕБТЫНС
мвви
ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 627.8
М.П. Саинов, Ф.В. Котов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАМЕННОЙ ПЛОТИНЫ С ГРУНТОЦЕМЕНТОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ ДЛЯ УСЛОВИЙ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Обосновано применение в суровых климатических условиях Крайнего Севера России каменной плотины с противофильтрационным элементом в виде внутреннего широкого экрана из грунтоцементобетона. Это позволит защитить негрунтовый экран от температурных воздействий. Приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния плотины такой конструкции высотой 226 м. Они показали, что грунтоцементобетонный экран будет находиться в сжатом состоянии. Это позволяет говорить о надежности плотины такой конструкции.
Ключевые слова: грунтоцементобетон, напряженно-деформированное состояние, периметральный шов, противофильтрационный элемент.
Для освоения гидроэнергопотенциала Крайнего Севера России наиболее перспективным считается строительство крупных гидроузлов в Южной Якутии с плотинами высотой около 200 м. В частности, рассматривается вариант строительства Канкунского гидроузла на р. Тимптон. Основная особенность района строительства — сложные климатические условия. Для него характерны низкая среднегодовая температура воздуха (около -6 °С) и большой интервал изменения температур в течение года (от +30 °С летом до -56 °С зимой). Такие условия очень неблагоприятны для строительства бетонных плотин. В силу удаленности района строительства доставка большого количества цемента затруднительна. Поэтому перспективным является строительство гидроузла не с бетонной, а с грунтовой плотиной.
Так как в районе строительства отсутствуют глинистые грунты, то создание каменно-земляной плотины невозможно. Необходимо строить каменную плотину с негрунтовым противофильтрационным элементом [1]. Однако опыта строительства и эксплуатации высоких грунтовых плотин с негрунтовыми противофильтрационными элементами в подобных климатических условиях нет. Необходимо разрабатывать новую конструкцию плотины, пригодную для работы в условиях Крайнего Севера. Учитывая ее большую высоту, эта конструкция должна обладать повышенной надежностью.
В настоящее время наиболее рациональным и экономичным типом каменных плотин считаются плотины с железобетонным экраном [2, 3]. В этих плотинах экран, расположенный на поверхности верхового откоса, оказывается в более благоприятных условиях работы, чем диафрагма внутри тела плотины. Это связано с тем, что в плотинах с экраном практически весь объем грун-
товой насыпи включается в работу по восприятию гидростатического давления, что уменьшает осадки и смещения противофильтрационного элемента. Строительство плотин с железобетонным экраном технологически эффективно, так как может быть легко механизировано.
На кафедре гидротехнических сооружений МГСУ проводились исследования по оценке возможности применения железобетонного экрана в условиях Крайнего Севера России. Расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины с железобетонным экраном и подэкрановой зоной из щебня показали, что из-за больших изгибных деформаций экрана на нижних отметках экрана возможно образование трещин [4, 5]. Поэтому гарантировать надежность плотин с железобетонным экраном нельзя. Это подтверждается случаями трещинообразования на многих высоких плотинах [3].
В связи с этим доктор технических наук, профессор Л.Н. Рассказов предложил строить плотины с подэкрановой зоной из грунтоцементобетона [6]. Грунтоцементобетон представляет собой смесь щебенистого грунта и цементного раствора, который проливают на уже уложенный слой камня. В настоящее время эта технология хорошо разработана и плотины из грунтоцементобетона (так называемые «твердые насыпи») успешно используются для создания низко- и средненапорных гидроузлов [3].
Использование жесткой подэкрановой зоны имеет несколько преимуществ. Во-первых, она должна уменьшить прогибы и изгибные деформации экрана и следовательно улучшить его напряженное состояние. Во-вторых, в случае необходимости подэкрановая зона из грунтоцементобетона сама сможет стать вторым противофильтрационным элементом. В-третьих, использование под-экрановой зоны из грунтоцементобетона позволило бы решить самую главную проблему — обеспечение ремонтопригодности плотины при возникновении аварии. Обычно восстановление водонепроницаемости высоких плотин проводят путем инъекции цементных растворов. Но этот способ практически неприменим для плотин из горной массы. Поэтому устройство подэкранового слоя из грунтоцементобетона даст возможность удобно и надежно восстанавливать водонепроницаемость плотины. В ней можно было расположить потерны для возможности ведения инъекционных работ, а также для осуществления натурных наблюдений.
Однако наши исследования [5, 6] показали, что непосредственное опира-ние жесткой подэкрановой зоны на скальное основание провоцирует ее изгиб, а также изгиб железобетонного экрана. В результате напряженное состояние нижней части железобетонного экрана не только не улучшается, но и ведет к образованию в нем трещин. Нами было предложено опирать подэкрановую зону не на горизонтальную поверхность скалы, а на наклонную грань железобетонной галереи (с устройством шва). Это позволило улучшить надежность работы плотины.
Однако такая конструкция обладает еще одним недостатком — она не приспособлена к работе в условиях суровых зим. При отрицательных температурах в железобетоне могут возникнуть растягивающие напряжения, а следовательно и трещины. Поэтому необходимо теплоизолировать экран.
Одним из возможных решений по теплоизоляции экрана является его защита пенобетоном, который является довольно прочным материалом. Однако этот путь получается довольно трудозатратным. Дело в том, что для эффективной теплоизоляции толщина слоя пенобетона должна быть около 1 м. Кроме того, этот слой необходимо защитить от разрушающего действия льда и проникновения воды с помощью какого-либо покрытия, например, торкрета. В результате конструкция экрана получается многослойной и очень дорогой, при этом практически неремонтопригодной.
В многослойной конструкции теряется функциональное назначение самого железобетонного экрана, так как помимо него противофильтрационные функции выполняют защитный слой торкрета и подэкрановый слой из грунто-цементобетона. Возникает мысль отказаться от самого железобетонного экрана. По результатам натурных и лабораторных опытов [7], грунтоцементобетон имеет низкую водопроницаемость. Кроме того, этот материал довольно прочный. Его прочность на сжатие может достигать 3 и даже 9 МПа [7, 8]. Таким образом, слой грунтоцементобетона может выполнять роль противофильтра-ционного элемента. Этот материал дешевле и технологичнее, чем железобетон. Если выполнить экран из грунтоцементобетона довольно широким и расположить в нем инъекционные галереи, такой противофильтрационный элемент становится ремонтопригодным. Но у такой конструкции сохраняется главный недостаток — незащищенность от температурных и ледовых воздействий.
Нами было предложено [9] для теплоизоляции экрана заглубить его под верховую грань плотины, т.е. в качестве теплоизоляции использовать слой грунта. Такой экран по аналогии с грунтовыми можно назвать внутренним. Находясь внутри плотины, он не будет подвергаться ледовым нагрузкам.
Для дополнительной защиты грунтоцементобетона от фильтрации можно покрыть его полимерной пленкой (геомембраной). Геомембраны могут использоваться при значительных отрицательных температурах (-40 °С и ниже), поэтому они с успехом используются в качестве противофильтрационных элементов накопителей жидких отходов производства на Крайнем Севере. Геомембраны обладают высокой прочностью на растяжение (свыше 10 МПа). Как показывает опыт эксплуатации геомембранных экранов, срок их службы не ограничивается 20 годами, они могут служить значительно дольше. Но в нашей конструкции геомембрана будет служить лишь дополнительной «степенью защиты» для противофильтрационного экрана из грунтоцементобетона.
Таким образом, мы предложили принципиально новую конструкцию каменной плотины, адаптированную к работе в суровых климатических условиях Крайнего Севера России. Это плотина с широким внутренним грунтоцемен-тобетонным экраном.
Данная конструкция будет иметь повышенную надежность, потому что имеет два противофильтрационных элемента. Кроме того, она ремонтопригодна, так как возможные трещины в грунтоцементобетоне можно «залечить» инъекцией цементного раствора.
Для оценки надежности разработанной конструкции грунтовой плотины проводились численные исследования ее НДС. В качестве примера была рас-
смотрена плотина для створа Канкунской ГЭС. Плотина имеет высоту 226,7 м (рис. 1). В ней грунтоцементобетонный экран опирается на бетонную призму высотой 26,3 м. Опирание происходит через наклонный скользящий шов.
Рис. 1. Конструкция плотины с внутренним грунтоцементобетонным экраном:
1 — упорная призма из горной массы; 2 — экран из грунтоцементобетона; 3 — защитный слой из гравийно-песчаного грунта; 4 — экран из полимерной пленки; 5 — бетонная призма
Расчет производился по специальной вычислительной программе NDS-N, предназначенной для расчета грунтовых плотин. Она была составлена М.П. Саиновым на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ. Эта программа использует метод конечных элементов (МКЭ). Для учета нелинейности деформирования грунта используется модель грунта [10], предложенная Л.Н. Рассказовым. Модуль деформации грунтоцементобетона был принят равным 10000 МПа, коэффициент Пуассона 0,22. Для скального основания приняли Е = 12000 МПа, V = 0,23. Некоторые параметры модели для грунтов тела плотины приведены в таблице.
Наименование материала Модуль объемной деформации E0, т/м2 Показатель степени n Начальный модуль сдвига G0, т/м2 fv)
Горная масса 1639 0,61 4600 1,1
Гравийно-песчаный слой 2000 0,67 5700 0,70
Работа контактов негрунтовых элементов между собой и с грунтом моделировалась с помощью контактных элементов.
При расчете НДС учитывалась схема возведения плотины в три очереди. Были рассмотрены 46 расчетных этапов, на каждом из которых моделировалось либо возведение слоя грунтовой плотины, либо наполнение водохранилища.
Результаты расчета показали, что при выбранных деформативных характеристиках камня максимальная строительная осадка (на V 480,0 м) составила 81 см, а смещение — 44 см (рис. 2). Максимальные смещения экрана в сторону нижнего бьефа составили 44 см, а осадки — 53 см. Было проведено исследова-
226.10
+
ние влияния на НДС плотины свойств контакта полимерной пленки с грунтом. Было выполнено три расчета для разных значений угла внутреннего трения этого контакта (38°, 28°, 20°).
а
б
Рис. 2. Смещения (а) и осадки (б) грунтоцементобетонного экрана на момент окончания строительства с учетом поэтапности возведения
Расчеты показали, что при угле внутреннего трения 38° прочность контакта экрана с верховой каменной насыпью сохраняется. При угле ф = 28° практически по всей длине контакта наблюдаются сдвиговые нарушения, однако скольжения верховой призмы по экрану не происходит. При угле ф = 20° происходит сползание каменной наброски по поверхности негрунтового экрана. За счет этого осадки верховой каменной призмы возрастают с 57 до 79 см. На основании этого расчета можно сделать вывод о невозможности применения обычной полиэтиленовой пленки, так как ее угол внутреннего трения составляет примерно ф = 20°. Необходимо использовать пленку повышенной шероховатости или выполаживать откос.
Расчеты показали, что несмотря на то что экран испытывает изгибные деформации, в большей части экрана напряжения — сжимающие по всем направлениям (рис. 3). На верховой грани уровень сжатия больше, чем на низовой. Минимальные главные сжимающие напряжения на верховой грани достигают 1,5 МПа. В некоторых сечениях на низовой грани возникают растягивающие главные напряжения величиной до 0,2 МПа. Неблагоприятное НДС наблюдается только в нижней части экрана, вблизи контакта экрана с бетонной упорной призмой. Здесь растягивающие напряжения достигают 0,9 МПа. В случае возникновения в грунтоцементобетоне трещин, они могут быть отремонтированы инъекцией. Таким образом, грунтоцементобетонный экран можно считать надежным противофильтрационным элементом.
Напряженное состояние бетонной призмы также в целом благоприятное, за исключением низовой грани (на контакте с экраном), на которой образуются растягивающие напряжения величиной до 2,6 МПа. Это вызвано усилиями, передаваемыми негрунтовым экраном на бетонную призму. Расчеты показали, что прочность контакта бетонной призмы со скалой обеспечивается, его раскрытия не происходит.
СТу [МПа]
(71 [МПа]
аз [МПа]
а б в
Рис. 3. Эпюры вертикальных (я), минимальных сжимающих (б), максимальных сжимающих (в) напряжений в грунтоцементобетонном
Неблагоприятное состояние имеет контакт грунтоцементобетонного экрана с бетонной призмой. Вследствие прогиба экрана происходит поворот нижней его части относительно низового ребра, экран своим ребром стремится «продавить» тело бетонной призмы. При этом нарушается прочность контакта между экраном и призмой на растяжение и шов раскрывается. Длина зоны раскрытия составляет 15,6 м при длине всего шва 18 м. На оставшейся длине наблюдается сдвиг экрана относительной бетонной призмы. Опасность представляет раскрытие шва, которое со стороны верховой грани достигает 8 см. Здесь необходимо качественное уплотнение шва. В дальнейшем конструкция контакта грунтоцементобетонного экрана и бетонной призмы должна быть усовершенствована, чтобы уменьшить раскрытие шва и интенсивное продав-ливание низовым экраном бетонной призмы.
Преимуществом разработанной конструкции плотины является то, что непроницаемость раскрываемого периметрального шва (шва на контакте экрана с бетонной призмой) может быть восстановлена путем инъекций из потерн, которые можно расположить как в самом экране, так и в бетонной призме.
Сравнение технико-экономических показателей двух вариантов компоновки Канкунского гидроузла (с каменной плотиной и с бетонной массивно контрфорсной плотиной) показывает, что вариант строительства гидроузла с контрфорсной плотиной заметно дороже. Капиталовложения в строительство каменной плотины ориентировочно составят 1,35 млрд долл. (при объеме насыпи горной массы в плотину равном 34,5 млн м3 и объеме грунтоцементобе-тона равном 1,85 млн м3), в то время как в строительство бетонной плотины — 2,24 млрд долл. (при объеме укладываемого бетона равном 7,6 млн м3). Это связано с тем, что для отсыпки тела упорных призм используются местные материалы, а также с тем, что укладка грунтоцементобетона значительно дешевле укладки обычного бетона, так как этот процесс может быть высоко механизирован, а сам грунтоцементобетон значительно дешевле бетона. Конечно, в варианте с грунтовой плотиной помимо самой плотины потребуется строительство береговых водосбросов для пропуска строительных и эксплуатационных расходов, однако даже при этом общая стоимость строительства составит около 1,87 млрд долл., что на 24,5 % меньше, чем стоимость гидроузла с бетонной плотиной (2,47 млрд долл.). В связи с этим рентабельность варианта гидроузла с каменной плотиной составляет 12,8 %, что значительно выше рентабельности варианта строительства бетонной контрфорсной плотины (9,2 %).
Выводы. 1. Предложена конструкция высокой каменной плотины с внутренним широким экраном из грунтоцементобетона, которая обладает высокой надежностью, ремонтопригодностью и приспособлена к работе в условиях Крайнего Севера, так как противофильтрационный элемент защищен от температурных воздействий. Ремонт плотины в случае необходимости может быть осуществлен инъекцией трещин в грунтоцементобетоне. Относительно небольшой расход цемента, требующийся для создания плотины такой конструкции, делает ее экономически эффективной по сравнению с бетонной плотиной.
2. Результаты расчета НДС предложенной конструкции показали, что напряженное состояние грунтоцементобетонного экрана, расположенного внутри тела плотины, в целом благоприятное. В дальнейшем необходимо усовершенствовать конструкцию наклонного шва между экраном и бетонной призмой с целью уменьшить его раскрытие.
3. Недостаткам предложенной конструкции является возможность оползания верховой каменной призмы по пленке, укладываемой поверх экрана. Верховой откос, по-видимому, следует выполаживать до откоса не круче 1:1,5 (по сравнению с плотиной с внешним железобетонным экраном). Пленку необходимо использовать повышенной шероховатости, с углом внутреннего трения не менее 28°.
Библиографический список
1. Выбор противофильтрационного устройства в вариантах плотин Канкунского гидроузла / В.А. Заирова, Е.А. Филиппова, Р.Н. Орищук, А.Д. Созинов, С.В. Радченко // Гидротехническое строительство. 2010. № 2. С. 8—13.
2. Barry Cooke. Concrete face rockfill dams. Beijing, 2000, 315 p.
3. Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современных высоких плотин. М. : Изд-во РУДН, 2004. 275 с.
4. Саинов М.П. Особенности расчетов напряженно-деформированного состояния каменных плотин с железобетонными экранами // Вестник МГСУ 2006. № 2. С. 78—86.
5. Саинов М.П. Совершенствование конструкции высокой каменной плотины с железобетонным экраном // Вестник МГСУ 2011. № 5. С. 36—40.
6. Нгуен Тхань Дат. Напряженно-деформированное состояние каменных плотин с железобетонным экраном : автореф. ... канд. техн. наук. М., 2004. 20 с.
7. Грунтоцемент для грунтовых плотин : бюллетень комитета по большим плотинам. 1986. Перевод ВНИИГа, 1987. 55 с.
8. Монсеф Белаид. Использование укатанного бетона и грунтоцемента в гидротехническом строительстве Туниса : дисс. ... канд. техн. наук. СПб., 2002. 23 с.
9. Саинов М.П. Разработка и обоснование рациональной конструкции каменной плотины для условий Крайнего Севера // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 2012. Volume 8. Issue 3. С. 116—120.
10. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М. : Изд-во АСВ, 2001. 384 с.
Поступила в редакцию в декабре 2012 г.
Об авторах: Саинов Михаил Петрович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФБГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14, mp_sainov@mail.ru;
Котов Филипп Викторович — инженер, ассистент кафедры гидротехнических сооружений, ФБГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14, filipp_net@mail.ru.
Для цитирования: Саинов М.П., Котов Ф.В. Разработка и обоснование конструкции каменной плотины с грунтоцементобетонным экраном для условий Крайнего Севера // Вестник МГСУ. 2013. № 3. С. 187—195.
M.P. Sainov, F.V. Kotov
DEVELOPMENT AND SUBSTANTIATION OF THE STRUCTURE OF A MASONRY DAM HAVING A SOIL CEMENT MEMBRANE AND DESIGNATED FOR THE CLIMATE OF THE FAR NORTH OF RUSSIA
The Far North of Russia has a strong power generation potential. Future hydraulic power engineering projects may include construction of major power generating plants
in south Yakutia. The core elements of the proposed projects will comprise dams about 200 meters high.
The authors substantiate construction of a masonry dam in severe climatic conditions of the Far Northern region of Russia. The structural solution represents a masonry dam having an impervious element, or a wide internal membrane, made of soil and cement concrete. This element is to protect the soil-free membrane from any thermal effects. The authors provide their analysis of the deflected mode of the dam, if its height is equal to 226 m. The findings have proven that the membrane made of soil and concrete cement will be in the state of compression. Therefore, the authors believe that the proposed design of the dam structure is reliable enough.
Key words: concrete cement, stress-strain state, dam, Far North, masonry structure.
References
1. Zairova V.A., Filippova E.A., Orishchuk R.N., Sozinov A.D., Radchenko S.V. Vybor protivofil'tratsionnogo ustroystva v variantakh plotin Kankunskogo gidrouzla [Selection of the Membrane Construction in Various Options of Dams of Kankun Hydraulic Power Plant]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2010, no. 2, pp. 8—13.
2. Cooke B. Concrete Face Rockfill Dams. Beijing, 2000, 315 p.
3. Lyapichev Yu.P. Proektirovanie i stroitel'stvo sovremennykh vysokikh plotin [Design and Construction of Advanced High Dams]. Moscow, RUDN Publ., 2004, 275 p.
4. Sainov M.P. Osobennosti raschetov napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya kamennykh plotin s zhelezobetonnymi ekranami [Peculiarities of Analysis of the Stressstrain State of Masonry Dams Having Reinforced Concrete Membranes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2006, no. 2, pp. 78—86.
5. Sainov M.P. Sovershenstvovanie konstruktsii vysokoy kamennoy plotiny s zhelezobe-tonnym ekranom [Improvement of the Structure of a High Masonry Dam Having a Reinforced Concrete Membrane]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 5, pp. 36—40.
6. Nguen Than Dat. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie kamennykh plotin s zhelezobetonnym ekranom [Deflected Mode of Masonry Dams Having Reinforced Concrete Screens]. Moscow, 2004, 20 p.
7. Gruntotsement dlya gruntovykh plotin: byulleten' komiteta po bol'shim plotinam [Soil-cement for Earth-fill Dams: Bulletin of Committee in Charge of Major Dams]. 1986, VNIIG Publ., 55 p.
8. Monsef Belaid. Ispol'zovanie ukatannogo betona i gruntotsementa v gidrotekhniches-kom stroitel'stve Tunisa [Using Rolled Concrete and Soil-cement in Hydraulic Engineering in Tunisia]. St.Petersburg, 2002, 23 p.
9. Sainov M.P. Razrabotka i obosnovanie ratsional'noy konstruktsii kamennoy plotiny dlya usloviy Kraynego Severa [Development and Substantiation of the Rational Structure of a Masonry Dam for the Climate of the Far North]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2012, vol. 8, no. 3, pp. 116—120.
10. Gol'din A.L., Rasskazov L.N. Proektirovanie gruntovykh plotin [Design of Earth-fill Dams]. Moscow, ASV Publ., 2001, 384 p.
About the authors: Sainov Mikhail Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydraulic Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mp_sainov@mail.ru; +7 (495) 287-49-14;
Kotov Filipp Viktorovich — engineer, assistant lecturer, Department of Hydraulic Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; filipp_net@mail.ru; +7 (495) 287-49-14.
For citation: Sainov M.P., Kotov F.V. Razrabotka i obosnovanie konstruktsii kamennoy plotiny s gruntotsementobetonnym ekranom dlya usloviy Kraynego Severa [Development and Substantiation of the Structure of a Masonry Dam Having a Soil Cement Membrane and Designated for the Climate of the Far North of Russia]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 187—195.
