CC BY
60
ISSN 2305-5502. Stroitelstvo: nauka i obrazovanie. 2016. № 2. http://www.nso-iournal.ru
УДК 627.8
М.П. Саинов, А.А. Федотов, А.А. Фомичев НИУ МГСУ
ВАРИАНТ СТРОИТЕЛЬСТВА КАТУНСКОГО (АЛТАЙСКОГО) ГИДРОУЗЛА С КОМБИНИРОВАННОЙ ПЛОТИНОЙ
Описан альтернативный вариант строительства высоконапорной Катунской ГЭС, в котором основным водо-подпорным сооружением будет являться каменная плотина с железобетонным экраном. В настоящее время отсутствует уверенность в том, что в данном створе будет построен высоконапорный гидроузел, обсуждается возможность строительства только средненапорного гидроузла (с названием Алтайская ГЭС). Поэтому необходимо проектировать Алтайскую ГЭС таким образом, чтобы ее бетонная водосбросная плотина в последующем могла бы стать частью высоконапорной грунтовой плотины. Вследствие этого рассмотрен вариант, в котором плотина Катунской ГЭС предполагается комбинированной по своему строению — высоконапорная грунтовая плотина будет опираться на менее высокую бетонную плотину.
Для данного варианта запроектированы все сооружения, разработана схема пропуска строительных и эксплуатационных расходов на всех этапах строительства через колодезные перепады.
Проведено обоснование конструкции комбинированной плотины на основе расчетов напряженно-деформированного состояния при статических и сейсмических нагрузках. Для повышения устойчивости на сдвиг бетонной части плотины предложено устраивать понур для уменьшения фильтрационного противодавления.
Ключевые слова: Катунская ГЭС, Алтайская ГЭС, комбинированная плотина, напряженно-деформированное состояние
Проектирование Катунского гидроузла в среднем течении реки Катунь началось еще в 1970-х гг. Целью его создания являлось обеспечение электроэнергией Республики Алтай. Первоначально проектируемая ГЭС имела название Еландинской, затем была переименована в Ка-тунскую. В последние годы рассматривался вариант строительства Алтайской ГЭС.
Первоначально планировалось создать ГЭС с установленной мощностью 1600 МВт. В створе Ка-тунского гидроузла проектировалась высокая бетонная гравитационная плотина высотой 179 м, которая должна была создавать водохранилище сезонного регулирования полным объемом 5,83 км при нормальном подпорном уровне (НПУ) 610 м.
В 1980-е гг. проект Катунской ГЭС был подвергнут резкой критике из-за опасений в том,
M.P. Sainov, A.A. Fedotov, A.A. Fomichev
MGSU
VARIANT OF THE CONSTRUCTION OF KATUN (ALTAI) HYDROELECTRIC COMPLEX WITH COMBINED DAM
The authors give the description of an alternative construction variant of high-head Katun HPP where a reinforced-concrete faced rockfill dam will be the main water retaining structure. At the present moment it is doubtful that at the particular site a high-head complex will be constructed; the discussions are related only to the possibility of a medium-head project construction (to be called Altai HPP). Therefore, it is necessary to design Altai HPP in such a way that its concrete spillway dam will be further able to become a part of a high-head embankment dam. Therefore, we considered the alternative, where Katun HPP dam would be a combined dam by its structure; a high-head embankment dam will rest on a less high concrete dam.
All the structures were designed for this variant as well as river diversion scheme and the diversion layout at all construction stages were developed. For this purpose "drops in wells" are proposed to be used.
The combined dam structure was validated by the stress-strain state analysis under static and seismic loads. In order to improve shear strength of the concrete part of the dam it was proposed to arrange an upstream apron for decreasing seepage uplift.
Key words: Katun HPP, Altai HPP, combined dam, stress-stain state
The design of Katun HPP in the midstream of the Katun river has begun in 1970s. Its aim was to provide the Republic of Altai with energy. The originally designed HPP was called Elandinskaya, then it was renamed into the Katun HPP. In the recent years the construction of the Altai HPP has been considered.
Originally it was planned to create HPP with the installed capacity 1600 megawatt. A concrete gravity dam 179 m high was designed in the power site, which was supposed to create the seasonal storage with the full volume of 5.83 km at the regular headwater level (RHL) 610 m.
In the 1980s the project of the Katun HPP was strongly criticized because of the
что ее строительство будет иметь опасные экологические последствия [1], поэтому в 1989 г. по результатам экологической экспертизы начавшееся строительство было остановлено. Еще одной причиной прекращения строительства являлось обнаружение в долине реки археологических памятников.
В 1994 г. был разработан проект строительства в том же створе другой ГЭС — Алтайской ГЭС с существенно меньшей высотой плотины (около 56 м). Объем водохранилища этой ГЭС (0,21 км3) не позволял с ее помощью проводить регулирование стока реки Катунь, поэтому ее проектная мощность должна была составить лишь 140 МВт.
Алтайская ГЭС, по сути, являлась первой очередью строительства Катунской ГЭС. В проекте Алтайской ГЭС предполагалось создать на левом берегу бетонную гравитационную плотину, через которую можно было бы осуществлять пропуск строительных расходов и забор воды для ГЭС. Основным водоподпорным сооружением предполагалось сделать каменно-земляную плотину, ось которой выдвинута в сторону верхнего бьефа таким образом, чтобы в будущем за ней можно было построить более высокую бетонную плотину. Фактически эта плотина должна была явиться лишь перемычкой для бетонной плотины Катунской ГЭС.
Строительство Алтайского гидроузла — проект особый, так как гидроузел изначально проектировался как временный с последующим наращением. Компоновка и конструкция сооружений гидроузла должны создавать удобные условия для строительства плотины нового гидроузла или наращивания существующей плотины. Эти особенности проекта Катунского (Алтайского) гидроузла заинтересовали студентов института гидротехнического и энергетического строительства МГСУ А.А. Федотова и А.А. Фомичева, которые выбрали данную тему для дипломного проектирования. Они рассмотрели альтернативный вариант компоновки Алтайского гидроузла, который тоже позволяет в последующем строить Катунский гидроузел с более высоким напором в благоприятных условиях.
В основе альтернативного варианта лежит возведение в Катунском гидроузле не бетонной, а грунтовой плотины. Это предложение объясняется тем, что насыпь грунта более простая и дешевая технология строительства плотины, нежели укладка бетона. Строительство грунтовой
concerns that its construction will have dangerous ecological consequences [1], that's why in 1989 the construction was stopped due to environmental assessment. The discovery of archeological monuments in the river valley was another reason for stopping the construction.
In 1994 a construction project was developed in another power site — the Altai HPP with the lower dam (about 56 m). The storage capacity of this HPP (0.21 km ) didn't let regulate the runoff of the Katun river, that's why it's design capacity should have been just 140 MW.
The Altai HPP was actually the first construction stage of the Katun HPP. The project of the Altai HPP supposed the construction of a concrete gravity dam on the left bank through which the diversion flow and water drawoff for the HPP could be performed. The stone-soil dam was supposed to be the main water-retaining structure, the axis of which is set forward to the water head so that a higher concrete dam could be constructed behind it in future. Practically this dam should have become just a closing dike for the concrete dam of the Katun HPP.
The construction of the Altai HPP is a special project, because HPP was originally designed as temporary with future growth. The configuration and the structure of HPP constructions should create favourable conditions for the construction of new HPP dam or development of the existing dam. These particularities of the Katun (Altai) HPP provoked the interest of the students of the Institute of Hydrotechnical and Energy Construction of MGSU Fedotov A.A. and Fomichev A.A., who selected this topic for their diploma project. They considered an alternative variant of the Altai HPP configuration, which also allows then building the Katun HPP with the higher head in favourable conditions.
The construction of not concrete but soil dam in the Katun HPP lies in the basis of the alternative variant. This suggestion is explained by the fact that the soil embankment is more simple and cheap technology of dam construction than pouring concrete. The construction of soil dam is generally
плотины в целом часто оказывается дешевле бетонной и не требует доставки большого количества цемента, которая затруднительна для условий Республики Алтай.
Однако, несмотря на экономичность грунтовых плотин при проектировании крупных гидроузлов, предпочтение часто отдается бетонным сооружениям. Это связано не только с повышенной надежностью бетонных плотин, перелив воды через которые не грозит плотине разрушением. Основная причина заключается в том, что через бетонную плотину удобно пропускать речные воды, для чего в теле бетонной плотины устраивают водосбросные или водосливные отверстия. Грунтовые же плотины обычно не предназначены для пропуска воды, поэтому необходимо устраивать береговые водосбросы. Если река полноводная, то пропуск расходов строительного периода становится основной сложностью возведения гидроузла с грунтовой плотиной.
В полной мере вышесказанное относится и к строительству гидроузла на реке Катунь. Расходы полноводного периода Катуни различной обеспеченности составляют 4 530, 6 400, 8 700, 11 500 м/с для значений обеспеченности соответственно 10 %, 1 %, 0,1 %, 0,01 %. Пропуск таких больших расходов требует строительства крупных береговых водосбросных сооружений, что ведет к удорожанию варианта строительства гидроузла с грунтовой плотиной. Наибольшие сложности с пропуском расходов возникают на начальных стадиях строительства, поскольку при низких напорах пропускная способность береговых водосбросов мала. Поэтому строительство на реке Катунь гидроузла среднего напора (Алтайский гидроузел) с береговыми водосбросами экономически нецелесообразно. Водосбросным сооружением Алтайского гидроузла должна выступать бетонная водосбросная плотина, как это было принято в реальном проекте. Для случая строительства высоконапорного гидроузла (Катунский гидроузел) пропуск воды через береговые водосбросы является более выполнимой задачей, поэтому вариант строительства Катунского гидроузла с грунтовой плотиной вполне возможен.
Необходимость устройства бетонной плотины на начальном этапе строительства (средне-напорный гидроузел) и возможность применения грунтовой плотины для строительства высоконапорного гидроузла приводят к мысли о целесообразности строительства комбинированной плотины.
cheaper than a concrete one and doesn't require the delivery of a lot of cement, which is problematic for the conditions of the Altai Republic.
Though despite the economical efficiency of soil dams when designing large hydroelectric complexes the concrete constructions are usually preferred. This is due not only to the increased reliability of concrete dams, which are nor destroyed by the runoff. The main reason is that it is convenient to transmit river water through a concrete dam, for which spillways or waterways are made in a concrete dam. Soil dams are usually not intended for water passage, that's why it is necessary to create shore spillways. If a river is deep, the diversion of the construction period becomes the main difficulty when constructing HPP with a soil dam.
The above mentioned refers also to the construction of the HPP on the Katun river. The debits of the full-flowing period of the Katun of different probability are 4530, 6400, 8700, 11500 m3/sec for the values of probability respectively 10 %, 1 %, 0.1 %, 0.01 %. The passage of such a great amount of discharge requires the construction of big shore water discharge structures, which makes the variant of HPP with soil dam more expensive. The major difficulties with discharge passage arise on the early stages of the construction because in case of low head the discharge capacity of shore spillways is low. That's why the construction of HPP with mean head on the Katun river (the Altai HPP) with shore spillways has no economic sense. A concrete spillway dam should act as a water discharge structure of the Altai HPP as it was approved in the real project. For the case of high head HPP construction (the Katun HPP) the water passage through shore spillways is a more realistic objective, that's why the variant of the Katun HPP with a soil dam is quite possible.
The necessity of a concrete dam construction on the early construction stage (mean head) and the possibility of the use of a soil dam for the construction of high head HPP give the idea of the reasonability of composite dam construction.
Комбинированной считается плотина, в которой часть напора воспринимает бетонная плотина, а часть — грунтовая. Обычно подобные комбинированные сооружения являются результатом наращивания бетонной плотины путем строительства за ней более высокой грунтовой. В этом случае бетонная плотина служит подпорной стеной для более высокой грунтовой плотины. Примерами комбинированных плотин служат плотины New Exchequer в США [2-4] и New Yesa в Испании [5, 6].
В нашем случае применение комбинированной плотины рассматривается как альтернативный вариант поэтапного строительства высоконапорного гидроузла. Нами была разработана схема строительства гидроузла с комбинированной плотиной в три очереди (рис. 1).
A composite dam is a dam where a part of water head is taken up by a concrete dam and a part — by a soil one. Such composite structures are usually a result of build-up of concrete dam by constructing a higher soil dam behind it. In this case the concrete dam acts as a supporting wall for the higher soil dam. The examples of composite dams are New Exchequer in the USA [2—4] and New Yesa in Spain [5, 6].
In our case the use of composite dam is considered as an alternative variant of stepwise construction of high-head HPP. We have developed a scheme of HPP construction with a composite dam with three stages (fig. 1).
Рис. 1. Конструкция комбинированной плотины:
1 — промежуточная очередь строительства грунтовой плотины;
2 — вторая очередь строительства грунтовой плотины; 3 — третья очередь строительства грунтовой плотины; 4 — бетонная плотина первой очереди строительства; 5 — железобетонный экран грунтовой плотины; 6 — подэкрановая зона; 7 — цементационная завеса; 8 — бетонный понур
Первая очередь гидроузла (НПУ 490 м) была запроектирована в виде правобережной бетонной водосбросной плотины (в русле реки) и левобережной каменной плотины с железобетонным экраном (рис. 2). Для сопряжения бетонной и грунтовой плотин предполагалось возведение массивной продольной бетонной стены, в теле которой также были устроены водосбросные галереи и водоводы ГЭС.
Fig. 1. Structure of a composite dam: 1 —
midline construction stage of the soil dam; 2 — second construction stage of the soil dam; 3 — third construction stage of the soil dam; 4 — concrete dam of the first construction stage; 5 — reinforced concrete soil dam walling; 6 — under-walling area; 7 — cement-grout curtain; 8 — concrete blanket
The first stage of the HPP (normal water level 490 m) was designed as a right-bank concrete spillway dam (in the river bed) and a left-bank rock-fill dam with a reinforced concrete walling (fig. 2). The construction of a big longitudinal concrete wall, inside which spillway tunnels and conduits of HPP were constructed, was supposed for junction of the concrete and soil dams
Рис. 2. Генплан Алтайского гидроузла с комбинированной плотиной: 1 — бетонная гравитационная плотина; 2 — грунтовая плотина; 3 — бетонная продольная стенка; 4 — здание ГЭС Алтайского гидроузла; 5, 6 — строительный канал; 7 — водобойный колодец водосбросной плотины; 8 — водобойный колодец строительного водосброса в продольной стенке
Fig. 2. Layout of the Altai HPP with a composite dam: 1 — concrete gravity dam; 2 — soil dam; 3 — concrete longitudinal wall; 4 — Altai HPP building; 5, 6 — construction channel, 7 — hydraulic jump basin of a spillway dam; 8 — hydraulic jump basin of construction discharge in the longitudinal wall
Для гидроузла первой очереди схема пропуска строительных расходов была принята следующей. Сначала на левом берегу устраивается строительный канал. После отвода реки Катунь в канал ее русло огораживается перемычками и начинается возведение правобережной бетонной плотины и продольной стены. Расположение бетонной плотины на правом берегу удобно тем, что все транспортные коммуникации расположены именно на правом берегу. Для доставки бетона на левый берег необходимо строительство моста. После завершения строительства нижней части бетонных сооружений, имеющей донные водопропускные отверстия, воды Катуни вновь возвращаются в русло, а строительный
The following diversion scheme was accepted for the HPP of the first stage. At first a construction channel is made on the left bank.
After the Katun river diversion to the channel its bed is enclosed by closing dikes and the construction of right-bank concrete dam and longitudinal wall begins. The location of the concrete dam on the right bank is convenient because all the transportation lines are situated on the right bank. The construction of bridge is needed for concrete delivery on the left bank. After finishing the construction of the lower part of concrete structures having bottom discharge openings, the waters of the Katun river return back to the river bed and the construction channel is closed. After closing
канал перекрывается. После перекрытия канала в левобережной части плотины возводится грунтовая плотина. Здание ГЭС первой очереди располагается на левобережном строительном канале. В нем предусмотрена установка двух гидроагрегатов с турбинами РО-45.
В качестве основного водоподпорного сооружения второй очереди гидроузла (НПУ 552 м) была принята каменная плотина с железобетонным экраном. Соответственно, левобережная грунтовая плотина первой очереди наращивается по высоте, а правобережная бетонная плотина становится частью комбинированной плотины (рис. 3). Пропуск воды при строительстве второй очереди было предложено осуществлять через водосбросные галереи в теле бетонной продольной стенки.
Рис. 3. Генплан второй очереди строительства Катунского гидроузла с комбинированной плотиной:
1 — бетонная гравитационная плотина; 2 — грунтовая плотина второй очереди; 3 — бетонная продольная стенка; 5, 6 — строительный канал; 7 — водобойный колодец строительного водосброса в продольной стенке; 8 — здание ГЭС Катунского гидроузла; 9 — туннельные водоводы ГЭС, используемые для пропуска строительных расходов; 10 — водоприемник туннельных водоводов; 11 — быстроток; 12 —колодезный перепад; 13 — водоприемник колодезного перепада для второй очереди строительства
the channel a soil dam is constructed in the left-bank part of the dam. The HPP building of the first stage is situated on the left-bank construction channel. Installation of two hydraulic components with turbines RO-45 in the building is planned.
A rockfill dam with reinforced concrete walling was accepted as the main water-retaining construction of the second stage (normal water level 552 m). Consequently the left-bank soil dam of the first stage is increased in height and the right-bank concrete dam becomes a part of the composite dam (fig. 3). It was suggested to pass water through spillway tunnels in the concrete longitudinal wall during the second construction stage.
Fig. 3. Layout of the second construction stage of the Katun HPP with composite dam: 1 — concrete gravity dam; 2 — soil dam of the second stage; 3 — concrete longitudinal walling; 5, 6 — construction channel, 7 — hydraulic jump basin of construction discharge in the longitudinal wall; 8 — the Katun HPP building; 9 — HPP tunnel conduits used for diversion; 10 — intake of tunnel conduits; 11 — drop; 12 — well drop; 13 — intake of the well drop for the second construction order
Здание ГЭС первой очереди должно быть демонтировано, так как оно располагается на месте левобережной грунтовой плотины второй очереди. В варианте с бетонной плотиной здание ГЭС первой очереди также демонтируется, поскольку проточный тракт установленных там турбин не подходит для работы на высоких напорах. Новое здание ГЭС было запроектировано на правом берегу реки Катунь с установкой в нем пяти агрегатов с турбинами Р0-170. Для подвода воды к зданию ГЭС были запроектированы два туннеля диаметром по 12,5 м.
В качестве основного эксплуатационного водосброса второй очереди решено было построить левобережный колодезный перепад шириной 87 м с тремя ступенями.
Строительство третьей очереди гидроузла предполагает дальнейшее наращивание грунтовой плотины с железобетонным экраном и рост давления на бетонную часть комбинированной плотины (рис. 4). При этом площадь, занятая грунтовой плотиной, резко возрастает, что делает невозможным эксплуатацию водосбросных галерей в продольной стенке. Поэтому схема пропуска строительных расходов изменяется. В начале строительства, пока возводится нижняя часть плотины третьей очереди, строительные расходы могут сбрасываться через левобережный колодезный перепад. Впоследствии, когда уровень воды в водохранилище станет выше НПУ второй очереди, равного 552 м, в качестве строительных водосбросов используются правобережные туннельные водоводы ГЭС, за которыми устроены два быстротока.
Для пропуска воды в эксплуатационный период было предложено продлить левобережный колодезный перепад с устройством его водоприемника на более высоких отметках.
Описание последовательности строительства Катунского гидроузла с грунтовой и комбинированной плотинами выявляет основной недостаток этого варианта — сложность схемы пропуска строительных расходов. Для каждой очереди строительства приходится строить новые водосбросные сооружения.
Для сравнения был рассмотрен традиционный вариант строительства Катунского гидроузла — вариант с бетонной гравитационной плотиной (рис. 5). Его возведение было также предусмотрено в три очереди. Плотина первой очереди имеет классический треугольный про-
The HPP building of the first stage should be demounted because it is situated on the location of left-bank soil dam of the second stage. In the variant with concrete dam the HPP building of the first stage is also demounted because the water-conveyance system of the turbines installed there does not suit for operation with high head. New HPP building was designed on the right bank of the Katun river with 5 installations with turbines RO-170. For water inlet to the HPP building two tunnels with the diameter 12.5 m were designed.
It was decided to build left-bank well drop with the width 87 m with three steps as the main service spillway of the second stage.
The third construction stage presupposes the further growth of the soil dam with reinforced concrete walling and the increase of pressure on the concrete part of the composite dam (fig. 4). The space occupied by the soil dam will then increase, which makes the operation of spillway tunnels in the longitudinal wall impossible. That's why the diversion layout is changed. In the beginning of the construction, while the lower part of the dam of the third stage is being constructed, the construction waste may be discharged through the left-bank well drop. Further, when the water level in the reservoir will become higher than the normal water level of the second stage (552 m), the right-bank tunnel conduits, behind which two drops are made, will be used as construction discharge.
It was suggested to extend the left-bank well drop for water pass in the operation period with setting its intake on the higher grades.
The description of the order of construction of the Katun HPP with soil and composite dams indicates the main disadvantage of this variant — the complexity of the diversion layout. Each stage requires the construction of new discharge structures.
As a comparison a traditional variant of HPP construction was considered — a variant of the concrete gravity dam (fig. 5). Also three stages of construction were planned. The dam of the first stage has a classic triangular profile. The incline of the lower face was chosen with view of retaining the stabil-
филь. Наклон низовой грани был подобран из условия соблюдения прочности контакта плотины с основанием и обеспечения устойчивости на сдвиг. Наклон плотины первой очереди составил 0,75, второй очереди — 0,83, третьей — 0,88. Пропуск воды осуществлялся через донные и глубинные водосбросные отверстия в теле плотины. Использовались несколько ярусов строительных водосбросных отверстий. При-плотинное здание ГЭС было запроектировано на левом берегу.
Рис. 4. Генплан третьей очереди строительства Катунского гидроузла с комбинированной плотиной: 1 — бетонная гравитационная плотина; 2 — грунтовая плотина третьей очереди; 3 — бетонная продольная стенка; 5 — строительный канал; 6 — здание ГЭС Катунского гидроузла; 7 — туннельные водоводы ГЭС, используемые для пропуска строительных расходов; 8 — водоприемник туннельных водоводов; 9 — быстроток; 10 — колодезный перепад; 11 — водоприемник колодезного перепада для третьей очереди строительства
ity of the junction of the dam with the base and providing shear strength. The incline of the dam of the first stage was 0.75, of the second stage — 0.83, of the third — 0.88. Water passed through bottom and deep spillway holes in the dam. Several tiers of construction discharge holes were used. Reservoired power station building was planned on the left bank.
Fig. 4. Layout of the third construction stage of the Katun HPP with composite dam: 1 — concrete gravity dam; 2 — soil dam of the third stage; 3 — longitudinal concrete wall; 5 — construction channel; 6 — the Katun HPP building; 7 — HPP tunnel conduits used for diversion; 8 — intake of tunnel conduits; 9 — drop; 10 —
well drop; 11--intake of the well drop for the
third construction order
Рис. 5. Генплан третьей очереди строительства Катунского гидроузла с бетонной гравитационной плотиной: 1 — бетонная плотина; 2 — водосливные пролеты; 3 — водоприемник ГЭС; 4 — водоводы ГЭС; 5 — здание ГЭС; 6 — монтажная площадка в здании ГЭС; 7 — контуры возможной ямы размыва за водосбросом
В рамках дипломного проектирования студент А.А. Фомичев разработал трехмерную компьютерную модель Катунского гидроузла (вариант с бетонной плотиной) (рис. 6), в т.ч. здания ГЭС (рис. 7).
Fig. 5. Layout of the third construction stage of the Katun HPP with concrete gravity dam: 1 — concrete dam; 2 — spillway bays; 3 — HPP intake; 4 — HPP conduits; 5 — HPP building; 6 — erecting site in HPP building; 7 — outlines of the possible outwash hole behind the spillway
In frames of his diploma project a student A.A. Fomichev developed a 3D computer model of the Katun HPP (variant with a
concrete dam) (fig. 6), including HPP building (fig. 7).
Рис. 6. Трехмерная компьютерная модель Катунского гидроузла (фрагмент)
Fig. 6. 3D computer model of the Katun HPP (fragment)
Рис. 7. Трехмерная компьютерная модель машинного зала Катунской ГЭС (вид с монтажной площадки)
Приближенное экономическое сравнение двух вариантов компоновки Катунского гидроузла показало, что их стоимость примерно одинакова. В варианте с бетонной гравитационной плотиной объем бетонирования тела плотины
о 3
составил примерно 2 млн м , в варианте с комбинированной плотиной объем насыпи грунтовой плотины — 28 млн м , объем бетонирования — 0,35 млн м . Недостатком компоновки с комбинированной плотиной явился большой объем работ по устройству береговых водосбросов. Правда, вынутый объем скального грунта — примерно 4 млн м3 — может быть использован для возведения грунтовой плотины.
Отдельно следует остановиться на проведенном обосновании конструкции комбинированной плотины на основе расчетов напряженно-деформированного состояния плотины при статических и сейсмических нагрузках. При расчетах учитывались последовательность возведения сооружения и приложения внешних сил. Сейсмические нагрузки определялись в соответствии со строительными нормами для интенсивности сейсмического воздействия 9 баллов по шкале МБК-64. Для этого предварительно были выявлены формы и периоды собственных колебаний комбинированной плотины.
Для расчетов использовался метод конечных элементов с помощью вычислительной программы, составленной М.П. Саиновым [7] с учетом нелинейности деформирования камня [8, 9] и возможности проявления нелинейных эффек-
Fig. 7. 3D computer model of the turbine room of the Katun HPP (view from the erecting site)
Approximate matching of the two variants of the Katun HPP configuration showed that their cost is approximately the same. In the variant with the concrete gravity dam the volume of concrete pouring of the dam was approximately 2 mln m , in the variant of the composite dam the volume of soil dam embankment was 28 mln m , the volume of concrete pouring — 0.35 mln m3. The disadvantage of the configuration with the composite dam is a large amount of work on constructing shore spillways. Though the extracted volume of rocky soil — approximately 4 mln m may be used for the construction of soil dam.
We should pay special attention to the justification of the composite dam construction basing on the calculations of the stressstrain state of the dam under static and seismic loads. The order of construction and application of external forces were taken into account during the calculations. Seismic loads were determined basing on the construction rules for seismic impact intensity of 9 points according to MSK-64 scale. For this aim forms and periods of natural frequencies of the composite dam were preliminary detached.
Finite element method was used for the calculations with the help of computer procedure created by M.P. Sainov [7] with account for nonlinearity of stone deformation
тов взаимодействия на контакте «бетон-скала». Расчетная область, включавшая бетонную и грунтовую части комбинированной плотины, а также скальное основание, была разбита на 1267 конечных элементов с квадратичной аппроксимацией перемещений внутри элемента.
Расчеты показали, что бетонное сооружение в составе комбинированной Катунской плотины, работает в непростых условиях. Ранее нами были проведены исследования совместной работы бетонного сооружения и каменной насыпи в составе комбинированной плотины New Exchequer (США) [10, 11]. В этом сооружении каменная плотина с железобетонным экраном высотой 150 м была возведена за бетонной плотиной высотой 100 м. По результатам расчетов был сделан вывод, что бетонное сооружение в составе комбинированной плотины вынуждено практически самостоятельно выдерживать возросшее гидростатическое давление верхнего бьефа, так как боковое давление на низовую грань бетонной плотины со стороны каменной насыпи слишком мало. В плотине New Exchequer прочностное состояние бетонного сооружения оказалось благоприятным благодаря тому, что гидростатическое давление действовало на него не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлении. Приг-рузка бетонного сооружения весом воды не допускала появления растягивающих напряжений как в теле плотины, так и на контакте плотины со скальным основанием. Благоприятное напряженное состояние бетонного сооружения было обеспечено при статических нагрузках и сейсмическом воздействии.
В Катунской комбинированной плотине бетонное сооружение оказалось менее надежным, что обусловлено условиями ее работы. При общей высоте плотины 177 м бетонное сооружение имеет высоту лишь 57 м. Таким образом, в плотине New Exchequer высота бетонного сооружения составляет 2/3 от общей высоты плотины, а в Катунской плотине — лишь около 1/3, т.е. напор воды на бетонное сооружение в Ка-тунской плотине выше примерно в 3 раза. При этом увеличение напора ведет не только к росту горизонтального давления на сооружения, но и фильтрационного противодавления на подошве сооружения. Тем не менее за счет вертикальной пригрузки водой прочностное состояние бетонного сооружения осталось удовлетворительным при статических нагрузках. Но сейсмические
[8, 9] and the possibility of the interaction effects in the junction of concrete and rock. The computational domain including concrete and soil parts of the composite dam and rock foundation was divided into 1267 finite elements with square approximation of displacements inside an element.
The calculations showed that a concrete structure within the composite Katun dam is operating in complicated conditions. Previously we have conducted investigations of the collaborative work of the concrete structure and rockfill within the composite dam New Exchequer (USA) [10, 11]. In this structure a rockfill dam with reinforced concrete walling 150 m high was constructed behind the concrete dam 100 m high. As a result of calculations it was concluded that the concrete structure in the composition of the composite dam has to take up the increased hydrostatical pressure of the water head almost all alone, because the lateral pressure on the lower face of the concrete dam from rockfill area is too low. In New Exchequer dam the strength state of the concrete structure turned out to be favourable thanks to the fact that hydrostatic pressure acted not only horizontally, but also vertically. Surcharge of the concrete structure by water weight didn't allow tensile stresses both in the dam and on the joint of the dam with rock foundation. The favourable stress state of the concrete structure was provided in case of static loads and seismic effects.
In the Katun composite dam the concrete structure turned out to be less reliable, which is due to its operating conditions. With the 177 m high dam the concrete structure is just 57 m. Consequently the concrete structure of New Exchequer dam is 2/3 of the general dam height, but in the Katun dam it's just about 1/3, i.e. the water pressure on the concrete structure in the Katun dam is approximately 3 times higher. The increase of the head leads to the increase of not only the horizontal pressure on the structures, but also of the hydraulic uplift on the foot of the structure. Nevertheless, the strength state of the concrete structure is satisfactory at static loads thanks to vertical surcharge by water. But seismic loads of 9 point (according to MSK-4) may cause separation of the dam
нагрузки силой 9 баллов (по шкале МБК-4) могут вызвать отрыв плотины от основания в результате нарушения прочности на растяжение, если не принимать дополнительных мер. В качестве такой меры нами было предложено устройство перед бетонной плотиной водонепроницаемого понура. Это позволит резко снизить фильтрационное противодавление на подошву плотины и повысить ее надежность.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Строительство гидроузлов с грунтовыми плотинами обычно требует применения более сложных схем пропуска строительных расходов. Особенно большие трудности возникают в период ранних стадий строительства на многоводных реках. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование комбинированных плотин, включающих в себя бетонное водоподпорное сооружение. На первой стадии строительства его можно использовать для пропуска воды, что позволит отказаться от временных береговых водосбросов. На последующих стадиях строительства это бетонное сооружение войдет в состав комбинированной плотины.
2. Рассмотрение варианта строительства Катунского гидроузла с грунтовой плотиной показало, что такой вариант возможен, несмотря на полноводность реки Катунь. Целесообразно устраивать не просто грунтовую плотину, а комбинировать ее с бетонной, так как это позволит упростить схему пропуска воды при строительстве эксплуатации первой очереди строительства — Алтайского гидроузла.
3. Основным недостатком разработанного нами альтернативного варианта компоновки Алтайского и Катунского гидроузлов является необходимость устройства высокой массивной бетонной продольной стены, сопрягающей бетонную и грунтовую плотину в составе Алтайского гидроузла.
4. Для варианта строительства Катунско-го гидроузла с грунтовой плотиной нами была предложена схема пропуска воды, предусматривающая использование на разных стадиях строительства колодезного перепада. По мере подъема уровня верхнего бьефа колодезный перепад может достраиваться путем добавления новых ступеней. Для подвода воды к перепаду были устроены временные водоприемники. По нашему мнению, такая схема пропуска вод яв-
from its foundation as a result of tensile strength failure if extra measures are not taken. We suggested constructing a waterproof blanket in front of the concrete dam as such a measure. This allows greatly reducing the hydraulic uplift on the dam foot and raising its reliability.
Basing on the conducted investigations we can conclude that:
1. The construction of hydraulic structures with soil dams usually requires application of more complicated diversion layouts. The greatest difficulties arise on the early construction stages on deep rivers. One of the solutions is the use of composite dams including concrete water-retaining construction. On the first construction stage it can be used for water passage which allows dealing without temporary shore spillways. On the further construction stages this concrete structure will become a part of the composite dam.
2. Consideration of the construction variant of the Katun HPP with soil dam showed that such a variant is possible though the Katun river is deep. It is reasonable to construct not just a soil dam, but to combine it with a concrete one, because it will allow simplifying the water passage scheme during the construction, operation during the first construction stage — the Altai HPP.
3. The main disadvantage of the alternative variant of the Altai and Katun HPPs developed by us is the necessity to construct a big longitudinal concrete wall jointing the concrete and soil dams in within the Altai HPP.
4. As a variant of the Katun HPP construction we suggested a water pass scheme presupposing the use of the well drop on different stages of the construction. Along with water head rise the well drop may be further constructed by adding new stages. Temporary water intakes were constructed for water inlet to the drop. According to our opinion such a scheme of water passage is more reasonable, that's why it may be recommended for the construction of high-head hydroelectric complexes with soil dams on deep rivers.
5. Investigations of the stress-strain state of the combined action of soil and concrete parts of the composite dam for the conditions
ляется более рациональной, поэтому можно рекомендовать ее для строительства высоконапорных гидроузлов с грунтовыми плотинами на полноводных реках.
5. Исследования напряженно-деформированного состояния совместной работы грунтовой и бетонной частей комбинированной плотины для условий Катунской ГЭС выявили два уязвимых узла конструкции.
Первый уязвимый узел — это обеспечение прочности контакта бетонного сооружения со скалой. Высота всей комбинированной плотины составляет 177 м, а высота бетонного сооружения — лишь 57 м, поэтому при завершении строительства третьей очереди многократно возрастает гидростатическое давление на бетонное сооружение. Из-за этого может быть нарушена прочность контакта как на растяжение, так и на сдвиг. Для повышения устойчивости необходимо увеличивать массивность бетонной плотины и устраивать перед ней понур для снижения фильтрационного противодавления.
Второй уязвимый узел — это сопряжение железобетонного экрана с бетонным сооружением. Вследствие сложного характера деформаций на контакте грунтовой и бетонной частей сооружения возможно значительное раскрытие периметрального шва, а также появление в экране сильных изгибных деформаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вопросы экологии в проекте Катунской ГЭС // Гидротехническое строительство. 1987. № 8. С. 52—58.
2. Reitter A.R. Design and construction of the New Exchequer dam — the world's highest concrete faced rockfill dam // World Dams Today. 1970. Pp. 4—10.
3. Brown H.M., Kneitz P.R. Repair of new exchequer dam // Water Power and Dam Construction. 1987. No. 39 (9). Pp. 25—29.
4. McDonald J.E., Curtis N.F. Repair and rehabilitation of dams: case studies ; prepared for U.S. Army Corps of Engineers. Engineer Research and Development Center, 1999. 265 p.
5. Garcia F.M., Maestro A.N., Dios R.L., de Cea J.C., Villarroel J., Martinez Mazariegos J.L. Spain's new Yesa dam // The International Journal on Hydropower & Dams. 2006. No. 13 (3). Pp. 64—67.
6. Dios R.L., Garcia F.M., Cea Azañedo J.C., Mazariegos J.L.M., Gonzalez-Elipe J.M.V. El Diseño del Recrecimiento del Embalse de Yesa // Revista de Obras Publicas/Marzo. 2007. No. 3. 475. Pp. 129—148.
7. Саинов М.П. Вычислительная программа по расчету напряженно-дефор-
of the Katun HPP detected two fragile structural components.
The first fragile component is providing the strength of the junction of the concrete structure with the rock. The height of the composite dam is 177 m, but the height of the concrete structure just 57 m, that's why during finishing the third stage of construction the hydrostatical pressure on the concrete structure increases many times. Due to this fact the tensile and shear strength of the junction may be effected. For raising the stability one needs to increase the massiveness of the concrete dam and construct a blanket in front of it for reducing the hydraulic uplift.
The second fragile component is the junction of the reinforced concrete walling with the concrete structure. As a result of the complicated deformation character a substantial perimetral joint opening is possible on the junction of soil and concrete parts of the structure as well as substantial bending strains in the walling.
REFERENCES
1. Voprosy ekologii v proekte Katunskoy GES [Environmental issues in the project the Katun HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 1987, no. 8, pp. 52—58. (In Russian)
2. Reitter A.R. Design and Construction of the New Exchequer Dam — the World's Highest Concrete Faced Rockfill Dam. World Dams Today. 1970, pp. 4—10.
3. Brown H.M., Kneitz P.R. Repair of New Exchequer Dam. Water Power and Dam Construction. 1987, no. 39 (9), pp. 25—29.
4. McDonald J.E., Curtis N.F. Repair and Rehabilitation of Dams: Case Studies; Prepared for U.S. Army Corps of Engineers. Engineer Research and Development Center, 1999, 265 p.
5. Garcia F.M., Maestro A.N., Dios R.L., de Cea J.C., Villarroel J., Martinez Mazariegos J.L. Spain's New Yesa Dam. The International Journal on Hydropower & Dams. 2006, no. 13 (3), pp. 64—67.
6. Dios R.L., Garcia F.M., Cea Azañedo J.C., Mazariegos J.L.M., Gonzalez-Elipe J.M.V. El Diseño del Recrecimiento del Embalse de Yesa. Revista de Obras Publicas/Marzo. 2007, no. 3, 475, pp. 129—148.
7. Sainov M.P. Vychislitel'naya programma po raschetu napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya gruntovykh plotin: opyt sozdaniya, metodiki i algoritmy [Computer Program for the Calculating the Stress-strain State of Soil Dams: the Experience of Creation, Techniques and Algorithms]. International Journal
мированного состояния грунтовых плотин: опыт создания, методики и алгоритмы // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2013. Т. 9. № 4. С. 208—225.
8. Рассказов Л.Н., Джха Дж. Деформируемость и прочность грунта при расчете высоких грунтовых плотин // Гидротехническое строительство. 1997. № 7. С. 31—36.
9. Саинов М.П. Параметры деформируемости крупнообломочных грунтов в теле грунтовых плотин // Строительство: наука и образование. 2014. Вып. 2. Ст. 2. Режим доступа: http://www.nso-journal.ru.
10. Саинов М.П., Федотов А.А. Анализ напряженно-деформированного состояния комбинированной плотины Нью-Эксчекваер при статических нагрузках // Вестник МГСУ. 2015. № 2. С. 141—152.
11. Саинов М.П., Федотов А.А. Анализ сейсмостойкости комбинированной плотины «New Exchequer» на основе численного моделирования // Приволжский научный журнал. 2015. № 4 (36). С. 26—32.
Поступила в редакцию в апреле 2016 г.
for Computational Civil and Structural Engineering. 2013, vol. 9. no. 4, pp. 208—225.
8. Rasskazov L.N., Dzhkha Dzh. Deformiruemost' i prochnost' grunta pri raschete vysokikh gruntovykh plotin [De-formability and Strength of Soils in High Soil Dam Calculation]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1997, no. 7, pp. 31—36. (In Russian)
9. Sainov M.P. Parametry deformiruemosti krupnooblo-mochnykh gruntov v tele gruntovykh plotin [Deformation Parameters of Macrofragment Soils in Soil Dams]. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2014, art. 2. Available at: http://www.nso-journal.ru/public/journals/1/issues/2014/02/2_Sainov.pdf.
10. Sainov M.P., Fedotov A.A. Analiz napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya kombinirovannoy plotiny N'yu-Ekschekvaer pri staticheskikh nagruzkakh [Analysis of the Stress-Strain State of New Exchequer Combined Dam at Static Loads]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 2, pp. 141—152. (In Russian)
11. Sainov M.P., Fedotov A.A. Analiz seysmostoykosti kombinirovannoy plotiny «New Exchequer» na osnove chislen-nogo modelirovaniya [Analysis of seismic stability of the New Exchequer Combined Dam based of Numerical Modeling]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2015, no. 4 (36), pp. 26—32. (In Russian)
Received in April 2016.
Об авторах: Саинов Михаил Петрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидротехнического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mp_sainov@mail.ru;
Федотов Александр Александрович, студент института гидротехнического и энергетического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, fedoto-aleksandr@mail.ru;
Фомичев Алексей Александрович, студент института гидротехнического и энергетического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, fomichev.147@gmail.com.
About the authors: Sainov Mikhail Petrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydraulic Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mp_sainov@mail.ru;
Fedotov Aleksandr Aleksandrovich, student, Institute of Hydraulic and Power Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; fedoto-aleksandr@mail.ru;
Fomichev Aleksey Aleksandrovich, student, Institute of Hydraulic and Power Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; fom-ichev. 147@gmail.com.
Для цитирования:
Саинов М.П., Федотов А.А., Фомичев А.А. Вариант строительства Катунского (Алтайского) гидроузла с комбинированной плотиной // Строительство: наука и образование. 2016. № 2. Ст. 1. Режим доступа: http://nso-journal.ru.
For citation:
Sainov M.P., Fedotov A.A., Fomichev A.A. Variant stroitel'stva Katunskogo (Altayskogo) gidrouzla s kombinirovannoy plotinoy [Variant of the Construction of Katun (Altai) Hydroelectric Complex with Combined Dam]. Stroitel'stvo: nauka i obra-zovanie [Construction: Science and Education]. 2016, no. 2, paper 1. Available at: http://www.nso-journal.ru.
