Массивные плотины
Бетонные гравитационные плотины представляют собой массивные сооружения, масса которых обеспечивает их устойчивость при воздействии всех приложенных к ним сил.
Очертание профиля. Очертание профиля (рис. 7.12) может быть найдено с учетом выполнения следующих условий: устойчивости плотины на сдвиг; прочности (гл. 3.3); минимального объема плотины.
Анализ построенных гравитационных плотин показывает, что заложение низовой грани 0,65...0,85. Для плотин высотой менее 20...60 м следует при анализе профиля плотины учитывать наличие воды в НБ; в высоких плотинах влияние ее невелико. Размеры профиля плотины можно предварительно назначить с помощью графиков [25]. При проектировании реального профиля плотины учитывают все. силы, действующие на плотину, в частности давление льда, волн, необходимость устройства на гребне плотины дороги, а также врезку плотины в основание. Очертание профиля нижней части плотины зависит от геологических особенностей створа; при неблагоприятной геологии возможны значительные расчистки основания, заполняемые бетоном (плотина Бхакра, Индия). Наименования основных элементов массивных гравитационных плотин на скальных основаниях приведены на рисунке 7.13.
Конструкция и размеры гребня. Вершину треугольного теоретического профиля (точка А на рис. 7.12) располагают на отметке НПУ (иногда ФПУ) или вблизи нее. Отметку гребня устанавливают так же, как в грунтовых плотинах. Для бетонных плотин принимают запас, равный для сооружений I класса—0,8 м; II класса — 0,6 м; III и IV классов—0,4 м.
На гребне плотины со стороны ВБ может быть установлен водонепроницаемый парапет. В этом случае величину d, (см. рис. 7.12; 7.13) отсчитывают до верха парапета; отметка же гребня плотины может быть снижена, но не ниже ФПУ. Ширина гребня зависит от ширины проезжей части (служебные мосты, автодорога, железная дорога) и подкрановых путей, от ледовых и волновых воздействий, которые мало сказываются на прочности и устойчивости плотины в целом, но могут повлиять на прочность гребня, вследствие чего его иногда армируют. Минимальная ширина гребня—2 м.
Противофильтрационные мероприятия в теле плотины. Предназначены для снижения противодавления в теле плотины и уменьшения опасности выщелачивания бетона. В качестве про- тивофильтрационных мероприятий применяют: вертикальный дренаж плотины у верховой грани; полый экран; укладку на верховой грани бетона повышенной водонепроницаемости; покрытие верховой грани слоем,асфальта, металла, пластмасс плотина
Дренаж тела плотины. Его выполняют в виде трубчатых вертикальных дрен (рис. 7.13) или дренажных шахт. Расстояние от напорной грани плотины до оси дренажа. Диаметр дрен 15... 30 см, расстояние между их осями 2...3 м. Диаметр дренажных шахт от 70...80 до 180 см, расстояние между ними 4...6 м и более; дренажные шахты хуже дренируют плотину. Трубчатые дрены выполняют с помощью постепенно поднимаемых обсадных труб, которые служат опалубкой, путем закладки труб из пористого бетона (рис. 7.13) или металлической сетки; иногда дрены устраивают при помощи бурения. Вода из дрен отводится по продольным галереям, а затем по поперечным галереям в НБ.
Противофильтрационные завесы и дренажи в основании (рис. 7.13). Они существенно уменьшают фильтрационное противодавление на подошву плотины (см. гл. 2.5). Типы дренажей (рис. 7.7), устраиваемых в основаниях гравитационных плотин: вертикальный, наклонный, горизонтальный и комбинированный. Дренаж под подошвой не устраивают в основаниях, не допускающих больших градиентов фильтрации из-за возможной химической или механической суффозии. Вертикальный дренаж (дренажная завеса) представляет собой один или два (редко больше) ряда скважин под подошвой (см. рис. 7.7); скважины обычно выходят в нижнюю дренажносмотровую галерею; в ней следует предусмотреть возможность размещения оборудования для бурения новых скважин или очистки старых. Диаметр дренажных скважин 20...25 см. Расстояние между ними зависит от напора на плотину и гидрогеологических данных и равно 2...5 м. Расстояние а от оси дренажа до низовой части цементационной завесы (рис. 7.13) должно быть возможно меньшим; обычно 2... 4 м, — шаг скважин в цементационтной завесе; однако 4 м. Обычно стенки скважин не закрепляют; при опасности обрушения их оборудуют перфорированными трубами, последние при пересечении трещин с мелкозернистым заполнителем оборудуют гравийными фильтрами. Скважины выполняют после окончания работ по противофильтрационной завесе. Глубина дренажа (рис. 7.13). Усиление работы дренажа достигается устройством второго ряда скважин (см. рис. 7.7, а). При слож- . ном основании скважины должны пересекать сильнопроницаемые слои (см. рис. 7.7,6). При глубинных напорных водах иногда требуется устройство разгружающих скважин около плотины в НБ (см. рис. 7.7,6). При выполнении дренажной и цементационной завес из одной галереи цементационная или дренажная завеса может быть наклонной (см. рис. 7.7, а).
Наклонный дренаж устраивают обычно при выполнении дренажной и цементационной скважин из одной галереи (в плотинах низких и средней высоты при крепких водоустойчивых породах), а также при бурении из одной галереи двух наклонных дренажных скважин. Для улучшения эксплуатации дренажа (очистка, регулирование) лучше иметь отдельные дренажные галереи, не совмещаемые с галереей цементационной завесы.
Горизонтальный дренаж бывает следующих видов: 1) горизонтальные поперечные галереи через 10...15 м друг от друга на поверхности основания (плотина Джердап на р. Дунай и др.); они существенно снижают фильтрационное давление, но усложняют производство работ; 2) горизонтальные дрены в виде системы продольных и поперечных борозд, заполняемых дренирующим материалом (для плотин небольшой высоты); при наличии трещин, по которым движется вода, они могут и не перехватить воду; 3) горизонтальные крупные продольные галереи (полости), которые весьма эффективны, но усложняют производство работ (см. рис. 7.19,6), или галереи обычного размера, располагаемые через 10...15 м.
Комбинированный дренаж — сочетание в ряде случаев различных типов дренажа, повышающее его эффективность (рис. 7.7, в). Вертикальный (или наклонный) дренаж в сочетании с горизонтальным применен на Усть- Илимской, Богучанской плотинах и др. Горизонтальный дренаж дополнительно к вертикальному выполняют обычно при прочных скальных основаниях, не подверженных химической суффозии. В ряде случаев дренаж устраивают под водобоем (плотины Джердап, Валлзее).
Роль дренажа играют и расширенные швы облегченных гравитационных плотин. Существенные сжимающие напряжения под низовой гранью плотины повышают водонепроницаемость основания в этой зоне, поэтому значение дренажа в данном случае особенно велико.
Галереи. Предназначены для отвода дренажной воды, контроля за работой дрен и состоянием бетона, прокладки коммуникаций (электропроводка, воздуховоды, канализация), установки контрольно-измерительной аппаратуры, выполнения цементации швов и устройства цементационной завесы, проведения ремонтно-восстановительных работ. Галереи бывают продольные (вдоль тела плотины) и поперечные (для отвода воды в НБ, иногда используются как выходы из продольных галерей). По высоте плотины их располагают через 15...20 м. При самотечном отводе воды нижнюю галерею следует размещать выше меженного уровня воды НБ (в противном случае предусматривают откачку).
Различные схемы галерей приведены на рисунке 7.13. Минимальные размеры: ширина 1,2 м, высота 2 м. Галереи, из которых выполняют цементацию основания (или тела плотины), имеют в зависимости от типа оборудования 6,2...2,5 м и 3...3.5...5 м. Пол галереи, предназначенной для отвода дренажной воды, имеет уклон (iI3= 1/50) в сторону водосливного лотка или кювет. При нескольких ярусах галерей их по высоте соединяют шахтами, в которых размещаются лифты и маршевые лестницы, а из каждого нижележащего яруса в вышележащий—аварийные выходы на расстоянии друг от друга и не менее двух из каждой галереи. Вертикальные шахты служат для размещения маршевых лестниц, грузопассажирских лифтов грузоподъемностью 200...350 кг, грузовых лифтов грузоподъемностью до 1000 кг. Имеются - также шахты для размещения грузопассажирских лифтов, прямых и обратных отвесов (см. гл. 15.2). Смотровые колодцы (шахты), расположенные иногда в конструктивных швах, соединяют с галереями (рис. 7.15).
Швы плотин. По характеру работы их подразделяют на строительные (временные) и конструктивные (постоянные).
Строительные швы. Вертикальные швы уменьшают опасность трещино- образования в строительный период; ко времени пуска в эксплуатацию их заделывают путем бетонирования или цементации. Горизонтальные швы возникают при технологических перерывах в бетонировании.
Столбчатая разрезка с плотными (цементируемыми) швами (рис 7.14,а) с последующей цементацией их применена на самых высоких зарубежных (Гранд-Диксанс — Швейцария, Бхакра — Индия и др.) и советских плотинах (Братская, Красноярская, Богучанская, Усть-Илимская). Достоинства ее: высокие темпы возведения (8... 10 м в месяц и более), удобство при возведении сооружения очередями. Недостатки: необходимость последующей цементации при температуре замыкания, близкой к среднегодовой, искусственное охлаждение бетона. Такую разрезку применяют при благоприятном и среднем климате; выполнение ее затруднено в суровых, и практически она неприемлема в особо суровых климатических условиях, так как качественная цементация возможна при температуре бетона 4...5 °С. При местном обогреве бетона около швов ее можно применять и в более суровых климатических условиях. Размеры блоков: высота в прискальной зоне 1,5...3 м; в-зоне, удаленной от основания, 3...9 м; размеры в план 9...16 м (меньший размер — для более суровых условий). Для нормальной цементации ширина раскрытия шва 0,5 м. Штрабы в плоскости шва (рис. 7.14, а) повышают сопротивление сдвигу в вертикальном направлении.
Столбчатая разрезка с объемными (бетонируемыми) швами (рис. 7.14,6) применена на Мамажанской, Зейской (массивно-контрфорсной) плотинах и др. Достоинства ее в отличие от предыдущей: независимое возведение отдельных столбов;, применение для любых климатических условий; трубное охлаждение лишь в прискальной зоне и в оголовках ^остальные блоки охлаждаются подбором температуры бетонной смеси и опалубки); возможность омоноличивания объемных швов при положительных и отрицательных температурах бетона. Недостатки: сложность бетонирования узких швов — шириной 1...2 м; увеличение площади опалубки на 30..,50 %. Поверхность шва может быть штрабной или гладкой. Размеры блоков в плане такие же, как в разрезке с плотными швами. При температуре бетона около —10 °С для надежного омоноличивания достаточно отогреть поверхность столбов на глубину 0,4...0,6 м. При возведении плотины очередями нижняя часть профиля (первая очередь) имеет иногда столбчатую разрезку с цементируемыми швами, а столбы последующих очередей имеют бетонируемые швы.
Секционная разрезка (разрезка на длинные блоки) — бетон укладывают на всю ширину от верховой до низовой грани (рис. 7.14, в). Достоинства: исключается цементация вертикальных швов; отпадает необходимость искусственного охлаждения бетонной кладки до температуры замыкания швов; уменьшается объем опалубочных работ; возможность более широкой механизации работ. Недостатки: увеличение зоны защемления блоков, соответственно более жесткие требования к температурному режиму, а следовательно, большие затраты на теплозащиту бетона и охлаждение бетонной смеси для борьбы с трещинообразованием; сложность организации бетонных работ при укладке бетона одновременно на большой площади; большая опасность перерывов в бето- нировашии; необходимость с самого начала .строительства освоить максимальные: мощности бетонного завода для уклащки в наиболее крупные блоки прискальной зоны. Секционная разрезка допустима в районах с умеренным климатом при 7...12°С. По высоте блоков она бывает двух видов: 1) блоками высотой 0,5... 1,5 м (плотина Детройт в США — 1,52 м; Токтогульская — 0,5...1 м, перерывы в бетонировании 3...5 сут); 2) «канадского» типа с высотой блоков до 18... 20 м (применялась на строительстве контрфорсных плотин), она требует высокого уровня организации работ. Достоинства: меньшее число горизонтальных швов, то есть плотина имеет большую монолитность; недостатки: возможен существенный разогрев блоков от экзотермии; необходимость устройства более жесткой опалубки, воспринимающей давление бетонной смеси.
Разрезка вперевязку («днепровского» типа, рис. 7.14, д) успешно применялась в условиях среднего и благоприятного климата на плотинах высотой до 50 м. Достоинства: не требуется омоноличивания строительных швов; исключается искусственное охлаждение (обеспечивается естественное остывание бетона при медленном росте сооружения по высоте). Недостатки: невозможность применения в суровых климатических условиях (вследствие интенсивного трешинооб- разования) и для плотин высотой более 50 м (подвижки блоков затруднены значительными силами трения по горизонтальным участкам ступенчатых швов, что приводит к появлению сквозных вертикальных трещин). Размеры блоков: высота от 2 до 3...4 м, у основания 1...2 м (на Нальчикской плотине до 8 м); плановые размеры— 12... 13 м. Перевязка шва осуществляется для блоков высотой до 4 м на (0,3... 0,5) h блока; для более высоких блоков не более чем на 2,5,..3 м. На Днепровской плотине блоки имели горизонтальные штрабы, без горизонтальных штраб применялась для плотин высотой до 100 м (плотина Монте- луи в Румынии). Темпы роста в высоту — примерно 4 м в месяц.
Разрезка смешанного типа (рис.7.14,г) представляет собой сочетание столбчатой и секционной. Ее можно применять при значительной длине подошвы плотины, то есть при весьма высоких плотинах, и использовать при неготовности системы температурного охлаждения в начале строительства. В нижней части бетонной кладки — столбчатая разрезка; на столбы укладывают длинный армированный- блок — армопояс, на него — длинные бетонные блоки. Достоинство: рациональное решение для плотин большой высоты. Недостатки: устройство армо-пояса; необходимость четкого соблюдения последовательности работ в нижней части и температурного режима. Разрезка этого типа проверена на нескольких опытных секциях Красноярской плотины. Смешанная разрезка (секционная — внизу, столбчатая — сверху) может возникнуть в результате производственного эксперимента или вследствие изменения проектного решения.
Секционная разрезка с последующим прорезанием (специальными машинами) швов в бетоне без их дальнейшего омоноличивания (рис. 7.21,6) допускает применение бетона низких марок, что позволяет отказаться от искусственного охлаждения. Высота блоков обычно 1,5 м, длина 8...15 м. Этот тип разрезки, разработанный Оргэнергостроем, позволяет повысить уровень механизации работ. Известен также итальянский опыт укладки бетона на плотине Альпа Джерра, где бетонная смесь укладывалась от правого до левого берега с последующей нарезкой машинами конструктивных швов.
Конструктивные (деформационные) швы [17, 130 и др.]. По назначению подразделяются на температурные, предотвращающие появление трещин при колебании температуры окружающей среды и при охлаждении бетона; усадочные, не допускающие возникновения трещин от усадки; осадочные, исключающие образование трещин от неравномерных осадок, вызванных различным весом секций (их размерами), различиями свойств основания или резкими изменениями в очертании каньона. Обычно температурные, усадочные и осадочные швы совмещают. Швы делят плотину по длине на секции (рис. 7.13). Основные факторы, от которых зависит размер секции, следующие: температурный режим в период строительства и эксплуатации; геология основания; очертание каньона; состав бетона; схема бетонирования; пропуск строительного расхода (гребенка или донные отверстия). Размер секции обычно от 7...8 до 15... 22 м.
По конструкции они бывают плоские, штрабовидные, называемые также штрабными, шарнирные (рис. 7.15), ломаные (чаще применяют в зданиях ГЭС); по значению воспринимаемого напора — воспринимающие полный напор, подвергающиеся действию части напора, не подвергающиеся действию напора.
Наиболее часто устраивают плоские швы. Они просты в выполнении, проще опалубка, меньше расход материалов на ее изготовление, лучше отвод воды, профильтровавшейся в шов; работа секций независима друг от друга и создает большую статическую определенность работы плотины. Штрабовидные швы применяют при специальном обосновании, когда используется пространственная работа сооружения. Передача через них касательных напряжений разгружает более нагруженные секции (при разнородном геологическом строении основания и т. п.); особенно эффективны они на склоновых участках и в узких каньонах с крутыми бортами. Их недостатки: сложность изготовления; концентрация напряжений в местах перегибов, приводящие к появлению трещин; худший отвод профильтровавшейся воды.
Требования к швам: водонепроницаемость; достаточная ширина, позволяющая отдельным секциям перемещаться независимо; возможность наблюдения за работой шва и ремонта уплотнения.
Основные элементы шва: уплотняющие устройства, обеспечивающие водонепроницаемость; дренажные устройства для организованного отвода профильтровавшейся через уплотнение или в обход него воды (дрены, колодцы); вспомогательные устройства — запасные шахты, смотровые колодцы, устройства для доливки и прогрева асфальтового материала и др.
Ширина швов зависит от геологии основания, размеров сооружения, колебаний температуры среды. Приближенно она равна. На основе натурных данных ширина шва на глубине 5 м и менее от лицевой грани и гребня плотины равна 5...10 мм, в остальной части сечения (где устанавливается температура, близкая к среднегодовой) — 1...3 мм. Швы делают сквозными на всю высоту (что проще в производстве работ); иногда в центральной части плотины шов омоноли- чивают. Известны следующие способы устройства швов: многослойная штукатурка холодными асфальтовыми мастиками (ширина шва 5...20 мм); наклейка одного или нескольких слоев рулонных гидроизоляционных материалов, в основном асфальтовых армированных матов или одного слоя асфальтовых плит (ширина шва до 20... 40 мм). Их используют для образования шва по контуру сооружения, обычно на глубину 2,5...3,5 м от верховой грани и 4...6 м от низовой. Известно применение вместо обмазки алюминиевой опалубки, которая, саморазру- шаясь, формирует шов. Швы образуются также вследствие усадки и остывания возводимых в разное время соседних секций; для предотвращения схватывания соседних секций поверхность шва секции первой очереди покрывают разжиженными битумами, битумными эмульсиями и пастами, горячим битумом, асфальтовой мастикой, реже глиняным раствором; ширина шва до 5 мм.
Уплотнения швов. Они бывают контурные наружные, контурные внутренние, основные внутренние (рис. 7.15). Контурные наружные уплотнения защищают шов от воздействия льда, волн, засорения, несколько повышают его водонепроницаемость. Обычно это бетонные, железобетонные или деревянные брусья (последние в зонах, постоянно находящихся под водой), плиты, пробка, резиновая лента, стальные полосы, полимеры, которые укладывают на подготовку из асфальтовых мастик или битумных матов. В зоне контакта с воздухом контурное уплотнение предотвращает попадание в шов осадков и замерзание воды. Со стороны НБ его устраивают не всегда. Контурные внутренние уплотнения ограждают галереи и внутренние полости, пересекающие швы, и располагаются на расстоянии 0,2...0,5 м от поверхности полости. Выполняется из металлических, резиновых, пластмассовых диафрагм. Основные внутренние уплотнения, воспринимающие напор, размещают на расстоянии 1,5...2 м от напорной грани. В зависимости от принятых материалов и конструктивных особенностей они подразделяются на диафрагмы из металла, резины и пластмасс, асфальтовые шпонки и прокладки, инъекционные уплотнения (цементация и битуминизация).
Металлические диафрагмы рекомендуются в температурных швах при высоте сооружений до 200 м и выше. Они обладают высокой надежностью, однако недостаточно гибки в нормальном к плоскости шва направлении, недостаточно деформируемы в направлении, параллельном плоскости шва, более сложно их наращивание по сравнению с резиновыми. Металлические диафрагмы бывают компенсаторного типа: петлеобразные; Z-образные (проще по конструкции, но пригодны при меньших боковых смещениях); волнообразные (требуют устройства полости в шве и труднее стыкуются, но обладают большей гибкостью); без компенсаторов—менее надежные. Для диафрагм применяют низколегированные стали и сплавы, стойкие против коррозии, листы меди или латуни. Толщина диафрагмы определяется расчетом: на прочность от гидростатического давления воды, многократный изгиб, неравномерность осадок секций. Исследования МГМИ и Андижан- гидростроя показывают, что при значительных относительных смещениях секций разрушается бетон около места заделки диафрагм, а не диафрагма.
Диафрагмы из резины отличаются высокой деформируемостью (допускают деформации сдвига секций без разрушения до 127 мм, неравномерную осадку секций — 5 см и более) и простотой наращивания. Недостатки их: потеря эластичности при воздействии солнечных лучей, воздуха, низких температур, сложность ремонта и возможность разрушения при воздействии агрессивных вод, щелочей, кислот, масел. Применяются в сооружениях с напором 50..,250 м. Утолщение по бокам лент выполняют для анкеровки в бетон; полость в центре уменьшает срезывающие напряжения, улучшает восприятие больших деформаций; срок их службы может быть не менее 60 лет.
Диафрагмы из пластмасс изготавливают из полиэтилена, поливинилхлорида, винипласта, полиамидов, неопрена, стеклопластиката, полизобутилена и др.
Уплотнения из асфальтовой мастики бывают квадратного сечения от 15x15 до 60x60 см, прямоугольные от 60X80 до 80X170 см, треугольные (со стороной 25 см) и шестигранные (со стороной 40 см). За рубежом известны также круглые уплотнения (10...20 см). Асфальтовая мастика — это битум с наполнителем (молотый известняк, доломит, кирпичный порошок или выбракованный цемент). Важный конструктивный элемент шпонки — верховые и низовые ограждения (для предотвращения утечек мастики) из металлических, резиновых, пластмассовых диафрагм (не рекомендуется применять просмоленные канаты) или в виде железобетонных шандор. Для повышения надежности уплотнения следует предусматривать автоматическое пополнение (или удаление) мастики из полости шпонки.
Дренажные устройства в деформационных швах. Они обеспечивают организованный отвод воды, профильтровавшейся через шов или бетон. Вертикальные дрены бывают круглые (15...20 см) или квадратные (20Х Х20 см); в плотинах выше 50м дрены, используемые в качестве смотровой шахты, должны быть размером не менее 80X80 см. Смотровые шахты можно использовать в качестве запасных шпонок, поэтому они должны иметь верховое и низовое ограждения. Дрены располагают на расстоянии 1..,1,5м от основного уплотнения (или от низового ограждения асфальтовой шпонки) и соединяют с дренажной системой плотины. Цементация швов при их максимальном раскрытии позволяет отказаться от дренирования.
Цементация швов. Выполняется при температуре, близкой к среднегодовой. На плотине Саньмынься (Китай) цементация выполнена на всем участке между основными верховыми и низовыми уплотнениями; на плотине Красноярской ГЭС цементация полости шва выполнена на участке шириной 2 м.
Допустимый градиент фильтрационного потока в бетоне около уплотнения 20; глубину заделки диафрагм в бетон принимают в зависимости от напора воды и от необходимой протяженности пути фильтрации, исходя из допустимого градиента. Число рядов уплотнений различно по высоте и зависит от напора и длины заделки диафрагмы в бетон. Диафрагмы следует размещать ближе к верховой грани, так как сжимающие напряжения от давления воды и набухания здесь наибольшие.
Зональность укладки бетона, В зависимости от условий работы в отдельные части плотин при высоте их более 20 м укладывают бетон различных марок, то есть его зонируют. Преимущества зональной укладки бетона: сокращение объема дорогостоящих бетонов (кавитационно-стойких, морозостойких и т. д.); удовлетворение требований к бетону различных по прочности и долговечности зон при уменьшении расхода цемента и применение более дешевых шлакопортландцемен- тов, пуццолановых цементов, добавок в виде золы-уноса и др.; снижение затрат на регулирование температурного режима кладки в связи с уменьшением расхода цемента и использованием цементов с пониженным тепловыделением; снижение требований к заполнителям различных зон. Недостатки: усложнение и увеличение объема бетонного хозяйства; некоторое снижение темпов работ. Экономическая эффективность применения зональности — 10...20 % по бетону сооружения в целом. Её можно считать рациональной при различии расхода цемента в зонах примерно 10 кг на 1 м3 бетона (плотины Дворшак и Либби в США [112].
В плотинах различают четыре зоны (рис. 7.16): I — наружные части плотин и их элементов, находящиеся под воздействием атмосферы, не омываемые водой;Л1 — наружные части плотины в пределах колебания уровней воды в верхнем и нижнем бьефах; части и элементы плотин, периодически омываемые водой (водосбросы, водоспуски, водобойные устройства и т. д.); III — наружные, а также примыкающие к основанию части плотин, расположенные ниже минимальных эксплуатационных уровней воды верхнего и нижнего бьефов; IV — внутренняя часть плотин, ограниченная зонами I...III (в том числе бетон конструкций, прилегающий к замкнутым полостям в контрфосных плотинах и облегченных гравитационных). Число марок бетона в плотине должно быть не более четырех; увеличение его требует специального обоснования. Границы зон располагают, исходя из общей схемы разбивки профиля на блоки бетонирования (см. ниже), однако ширина любой зоны должна быть не менее 2 м. Практически толщина зоны морозостойкого бетона при столбчатой разрезке равна длине блока (то есть обычно больше необходимой расчетной); при бетонировании длинными блоками толщина зоны ж3...4 м. Часто в разных зонах используют различные типы цементов (портландцемент, пуццола- новые портландцементы, шлакопорт- ландцементы, трехкомпонентные цементы и др.); на некоторых крупных плотинах (особенно в районах сурового климата) укладывали бетон с резко различными свойствами. В последние годы стремление укладывать бетон равномерно по высоте привело к зональной укладке его. Иногда на низовой и верховой гранях плотины устанавливают сборные плиты из бетона высоких марок, которые одновременно служат опалубкой. Марки бетонов предварительно назначают в зависимости от зоны и типа плотин.
Марку бетона зоны переменного уровня в НБ и водосливной грани обосновывают в зависимости от климатических и эксплуатационных условий и скорости потока. При назначении марок бетонов, приготовленных на портландцементе марки 400, для зон переменного уровня и водосливных поверхностей можно ориентировочно принимать следующие соотношения между характеристиками морозостойкости, водонепроницаемости и прочности: Мрз100, В-4, М150; Мрз150, В-б, М200; Мрз200, В-8, М250; МрзЗОО, В-12, М300; Мрз400, В-12, М400;
Защитные покрытия граней плотины [84, 25]. Предназначены (рис. 7.17) для предохранения: от разрушения чрезмерной фильтрацией (в частности, в плотинах, допускающих растягивающие напряжения на верховой грани, из низкомарочного бетона и т. п.); от агрессивной среды — воды; от высоких перепадов температуры, а также для защиты зон переменного уровня в верхнем и нижнем бьефах. В обычных условиях основным защитным покрытием служит «зональный» бетон. При укладке его на гранях плотины в обычных условиях можно не предусматривать специальных мероприятий. При суровом климате наиболее интенсивные разрушения происходят в зонах переменного уровня воды. Меры борьбы с разрушениями: повышение морозостойкости бетона или применение облицовок повышенной морозостойкости; устройство гидроизоляционных покрытий и облицовок (гидроизоляция, выполненная лишь в зоне переменного уровня, уменьшает водонасыщение, но не исключает термовлажностных процессов, разрушающих бетон); применение теплогидро- изоляции (наиболее эффективно, так как замедляются или исключаются термовлажностные процессы, вызывающие разрушение).
Гидроизоляция напорной грани. В качестве гидроизоляции применяют асфальтовую штукатурку (горячую или холодную), покраску битумом, покрытия на основе каменноугольной смолы, а также рулонные материалы (асфальтовые маты, гидроизоляционный битум). Их недостатки: разрушение от действия ультрафиолетовых лучей; хрупкость при низких температурах; низкая прочность на растяжение; черный цвет. Лучшими свойствами обладают битумно-полимерные композиции и асфальтополимербетон. Перспективны полимерные гидроизоляционные покрытия (эпоксидное связующее с армирующим слоем из стеклоткани), имеющие пока высокую стоимость. Разработаны комбинированные покрытия (из каменноугольных смол и эпоксидных с армированием стеклотканью); они более экономичны, обладают высокой морозостойкостью, водонепроницаемостью, достаточной прочностью на растяжение, возможностью регулирования цвета, но пока что трудоемки; выполнение работ зависит от погоды. По данным НИС Гидропроекта, такое трехслойное покрытие обладает морозостойкостью более 1000 циклов, водонепроницаемостью при давлениях до 3 МПа и допускает раскрытие трещин в конструкции до 2 мм.
Теплогидроизоляция. Ее можно выполнять из антисептированной древесины (срок службы 20...25 лет), асфальтошлакобетона, из легких асфальтобетонов (например, асфальтокерам- зитобетона), пенопластин (в частности, пеноэпоксидных составов) и др. В НИСГидропроекта получены пеноэпоксидные покрытия с водонепроницаемостью при 0,4...0,6 МПа, теплопроводностью 0,035...0,092 Вт), температуропроводностью 5.10-4...10.10-4 мг/с, теплоемкостью 0,71—1,34 кДж/(кг-°С). Наиболее эффективное конструктивное мероприятие в зонах с переменным уровнем — теплогидроизоляция.
При ледовых воздействиях целесообразны полимерные покрытия — эпоксидные армированные, при отсутствии льда — эласто-неопреновые, эпоксидно-каучуковые и т.. д. При агрессивности воды гидроизоляционное экранирование в подводной зоне можно выполнять асфальтовой штукатурной гидроизоляцией из горячего асфальтового раствора; литой асфальтовой гидроизоляцией; холодной асфальтовой штукатурной гидроизоляцией или оклеечной гидроизоляцией; в зоне переменного уровня дополнительно ставят защитное ограждение. Перспективно применение полимерных материалов.
Низовые грани гравитационных плотин обычно не имеют теплозащитных покрытий (но их можно использовать для регулирования термонапряженного состояния в эксплуатационный период). Вместо теплозащитных стенок с воздушной прослойкой можно применять пенопласты, легкие бетоны, пеноэпоксидные составы и т. д.
Армирование. Арматура гравитационных плотин бывает конструктивная, расчетная и монтажная.
Конструктивную арматуру устанавливают без расчета на основе опыта проектирования построенных сооружений. В СССР конструктивное армирование выполняют в виде сетки из арматуры типа A-II 016...25 мм (четыре стержня на 1 м длины); ее устанавливают в конце вилочных швов, швов-надрезов, вокруг галерей, шахт, служебных помещений, в зонах колебаний уровней воды. Обобщение советского и зарубежного опыта позволяет сделать следующие основные выводы по конструктивному армированию [25, 29, 89];
1. В различных странах (а часто в пределах одной страны) однотипные плотины возводят с армированием и без него.
2. Армирование может несколько снизить поверхностное трещинообразо- вание от усадки и температуры, уменьшить выветривание и облегчить необходимые ремонтные работы. Однако трещиностойкость следует обеспечивать главным образом регулированием температурного режима, правильной разрезкой швами, при необходимости — теплоизоляцией.
3. В суровых климатических условиях его следует выполнять на напорной грани в зоне переменного уровня; при средней температуре воздуха в самом холодном месяце года ниже минус 25 °С необходимо рассматривать целесообразность устройства теплогид- роизоляции из легкого асфальтобетона, эпоксидно-каменноугольных и поливинилхлоридных пенопластов или других теплоизоляционных материалов; на низовой грани, особенно при мягком климате (Закавказье, Таджикистан и т. д.), можно ограничиться армированием водослива.
4. Конструктивное армирование целесообразно вокруг напорных турбинных водоводов, глубинных водосбросов и водоспусков (если не ставится расчетная арматура)—кольцевая арматура d = 25...37 мм, распределительная d — 25...37 мм, шаг — 3...4 на 1 м, узлы сетки анкеруют в бетон на 1,5...2,5 м стержнями d=25 мм,— а также различных коммуникаций (галерей, шахт, лифтов и т. д.) — кольцевая— d=25 мм, 4...5 на 1 м; распределительная (не всегда)—d— = 25 мм, 2-...3 на 1 м.
5. Не следует выполнять армирование для восприятия сейсмических воздействий, так как легкая арматурная сетка ничего не дает, а расчетное армирование будет излишне тяжелым; вокруг шахт для отвесов, узких круглых лазов и т. д.; межсекционных швов (если шов в зимнее время открыт, целесообразна его теплоизоляция).
6. При армировании водосливной грани или водобойной плиты арматурную сетку d = 19...25 мм следует анкеровать в бетон (скалу) на глубину от 1,5...2,5 до 4 м, приваривая анкера d—16...25 мм к узлам сетки; на носке- трамплине конструктивное армирование не рекомендуется, но при его применении устанавливают продольную арматуру (вдоль потока) d=25 мм через 20...25 см с анкеровкой на глубину 1,5,..2 м (шаг анкеров 1,5...2 м); распределительную — cf=16...19 мм (3—4 на 1 м).
7. Толщину защитного слоя для рабочей и распределительной арматуры целесообразно принимать 70... 100 мм (не менее 60 мм и не менее диаметра).
8. Конструктивную и расчетную арматуру желательно применять в виде армоферм, армокаркасов, сварных каркасов и сеток, пространственных армокаркасов (армоблоков) с учетом технологии подачи бетона, его укладки и проработки.
Расчетную арматуру определяют расчетом и устанавливают обычно в быках водосливов, в гасителях, пирсах и т. д.
Монтажную арматуру применяют для объединения стержней и сеток в армоконструкции; она должна максимально использоваться в качестве расчетной в железобетонных элементах.
Общий расход арматуры в гравитационных плотинах 3...12 кг на 1 м3 бетона. При достаточно суровом климате расход арматуры составил для Братской плотины (рис. 7.18) — в водосливных секциях 11,9, в станционных до 13,6 кг на 1 м3; Красноярской— 11,5; Усть-Илимской — 8 и Бухтарминской — 6 кг на 1 м3.
На рисунке 7.18 приведена схема армирования водосливной секции Братской плотины.
За рубежом в последнее время конструктивную арматуру устанавливают лишь на водосливной грани, носках- трамплинах и быках на гребне. Эти плотины построены в основном в сравнительно мягком климате. Возможно снижение количества конструктивной арматуры, так как она недонапряже- на, а часто работает на сжатие [46].