В слое УБ, перекрытом через 80 град-час свежим слоем УБ, снижение сцепление в шве происходит медленно вплоть до 600 град. /час

5. В слое УБ, перекрытом через 80 град-час свежим слоем УБ, снижение сцепление в шве происходит медленно вплоть до 600 град. /час.

6. Предельное время перекрытия шва, равное 80 град. /час, может быть увеличено до 200 град. /час за счет применения замедлителей схватывания или высокого содержания золы-уноса, т.е. перехода на УБ 3-го типа.

Условия подготовки поверхности швов УБ могут быть следующими: естественное просушивание свежей или мокрой поверхности (SSD), продувка воздухом, очистка щетками, поврежденная поверхность, нетронутая поверхность и обработка подстилающим слоем цементного раствора (bedding mix) толщиной 1-2 см.

Трение в шве УБ практически не зависит ни от каких факторов, кроме типа заполнителя, согласно опытным данным по УБ плотины Миель-1.

Согласно этим же данным сцепление в шве прямо пропорционально расходу вяжущих (после его порогового значения в 30-40 кг/м³) и оно повышается с сокращением времени перекрытия шва и, особенно, при применении замедлителя схватывания. Применение подстилающего слоя цементного раствора даже при больших сроках перекрытия шва (до 1200 град. /час) позволяет достичь максимального сцепления в нем близкого к сцеплению УБ между швами.

В проектах плотин из УБ используют уменьшенное на коэффициент запаса пиковое значение прочности УБ на сдвиг, при котором сцепление в швах УБ исчерпывается, и возникают микроподвижки по шву. Обычно при проектировании плотин используют пиковые значения прочности УБ на сдвиг и угла внутреннего трения, и сопротивление плотины на сдвиг должно превышать сдвигающую нагрузку с расчетным коэффициентом запаса. Поэтому целесообразно определять остаточное или кажущее сцепление и трение в шве, которые остаются после возникновения скольжения по шву. Тогда эти значения могут быть использованы в расчетах устойчивости плотины на сдвиг и если ее коэффициент запаса на сдвиг больше 1,0, то плотина считается устойчивой, что соответствует реальному предельному состоянию.

Расчетные напряжения в плотине из УБ не должны превышать предельные значения, соответствующие началу раскрытия швов, а устойчивость плотины на сдвиг должна быть обеспечена даже при отсутствии сцепления в швах, т.е. при "холодных" швах.

При проектировании плотин из УБ разного типа можно использовать средние параметры прочности, деформируемости и водопроницаемости УБ и параметры прочности на сдвиг швов УБ, данные в Бюллетене Международной комиссии по большим плотинам (табл.1.3).

Параметры прочности, деформируемости и водопроницаемости УБ.

Табл. 1.3

Параметры	УБ-1	УБ-2	УБ-3	УБ-4
Прочность на сжатие УБ (МПа), диапазон: среднее значение:	5 - 15 11,6	10 - 25 15,2	15 - 30 20,7	12 - 25 17,3
Прочность на растяжение шва, МПа, диапазон: среднее значение:	0 - 0,7 0,35	0,3 - 1,0 0,7	0,8 - 1,8 1,35	0,8 - 1,8 1,3
Сцепление в шве, МПа, диапазон: среднее значение:	0 - 1,5 0,7	0,5 - 1,8 0,9	1,0 - 4,0 1,9	1,5 - 4,0 2,4
Модуль упругости УБ, (103х МПа)	10 - 20	15 -25	20 - 25	20 - 25
Водопроницаемость, м/с	10-4 - 10-5	10-5 - 10-8	10-7-10-12	10-8 - 10-9

Как показывают испытания блоков УБ других плотин с различным расходом вяжущих, состоянием и обработкой швов, сроком их перекрытия, боковой нагрузкой и возрастом блоков, при сдвиге швов остаточное сцепление в них падает до малых значений (до 10% от пиковых), но остаточное трение в них остается на уровне 90% пиковых значений

 

3.1.3 Современное состояние строительства плотин из укатанного бетона в мире

Метод строительства плотин из укатанного бетона (УБ) в мировой практике плотино-строения получил распространение с начала 1980 г. Этому значительно способствовали созданные ранее мощные строительные машины для возведения грунтовых плотин, необходимость снятия ограничений по темпам строительства бетонных плотин из условий предельно-допустимых температурных напряжений в плотине, а также необходимость удешевления и ускорения строительства. Метод строительства плотин из УБ полностью отвечает этим требованиям: технология возведения этих плотин приближается к технологии возведения грунтовых плотин. УБ укладывается в плотину с помощью практически тех же механизмов, которые используют на строительстве грунтовых плотин: доставка УБ осуществляется ленточными конвейерами или самосвалами, разравнивание - бульдозерами, уплотнение - виброкатками.

УБ отличается от обычного бетона главным образом своей консистенцией. Для эффективного уплотнения УБ должен быть достаточно сухим, чтобы выдержать вес виброкатков, и в то же время достаточно влажным, чтобы обеспечить полное распределение цементного раствора в смеси в процессе перемешивания и виброукатки. УБ значительно отличается и по внешнему виду от обычного бетона, скорее напоминая гравийную насыпь, так как присутствие в нем цементного раствора почти незаметно. Для достижения максимального уплотнения требуется намного большее вибрационное усилие, чем для обычного бетона.

УБ представляет собой особо жесткую бетонную смесь с пониженным содержанием цемента (30-50%) и повышенным содержанием (50-70%) пуццоланы (золы-уноса), уплотняемую виброкатками. Под понятием укатанный бетон подразумевается определение УБ как конструкционного материала, так и технологии производства работ при его использовании.

Малое содержание цемента в УБ (в среднем 50-80 кг/м³) резко снижает температурные напряжения в плотине, что позволяет полностью отказаться от мероприятий по регулированию температурного режима и снять все ограничения по интенсивности укладки УБ. Все это, а также максимальная механизация всех строительных процессов, снижение трудоемкости строительства обеспечивают резкое снижение стоимости и сроков строительства.

Согласно классификации УБ в зависимости от содержания вяжущих (цемент + пуццоланы) УБ бывает 3-х типов: 1 - тощий УБ с низким содержанием вяжущих (65-99 кг/м³); 2 - умеренно-пластичный УБ со средним содержанием вяжущих (100-149 кг/м³); 3 - пластичный УБ с высоким расходом вяжущих (150-300 кг/м³). Отдельно выделен УБ-4 плотин Японии с содержанием вяжущих (120-130 кг/м³), но при более высоком расходе цемента и низком расходе золы-уноса и с более высокой прочностью на сжатие и сдвиг чем УБ-1, 2 и 3.

Подробно вопросы проектирования и строительства плотин из УБ изложены в пособии Ляпичева Ю.П. [1], в котором приведены также многочисленные справочные данные по УБ.

Широкое строительство плотин из УБ объясняется тем, что использование УБ имеет ряд существенных преимуществ, а именно:

УБ, при прочности на сжатие 10 - 15 МПа, отличаются низким тепловыделением и малой усадкой. Это открывает возможность укладки УБ часто по всей длине и ширине плотины, не прибегая к дорогостоящим мерам по регулированию температурного режима УБ. Высокая ранняя прочность УБ в силу его жесткой структуры обеспечивает возможность перемещения по нему машин сразу после укладки и укатки. Таким образом, по сравнению с обычным бетоном УБ является более экономичным и технологичным материалом.

Благодаря простоте технологии и сокращению до минимума операций по опалубке, подготовке блоков к бетонированию, терморегулированию и т.п., резко сокращаются продолжительность подготовительного периода и строительства в целом.

Послойная технология возведения обуславливает наличие многочисленных горизонтальных швов; физико-механические параметры укатанного бетона и межслойных швов накладывают существенный отпечаток практически на все конструктивные элементы тела плотины и его сопряжения с основанием.

В практике современного плотиностроения разработано много конструкций плотин из УБ, при этом водонепроницаемость напорной грани обеспечивается 3 основными типами:

I - напорная грань защищена слоем обычного вибрированного бетона;

II- та же грань защищена слоем УБ-3, обогащенного цементом и затем вибрируемым [1] ;

III - та же грань защищена двухслойной (1-й слой - экран из ПВХ, 2-й - дренаж) пленкой CARPI (Швейцария), устанавливаемой после окончания укладки УБ в плотину.

Наиболее надежным решением, обеспечивающим такой же низкий коэффициент фильтрации УБ, как и обычного бетона (10^-9 - 10^-10 см/с), является способ II, разработанный и широко применяемый при строительстве самых крупных плотин из УБ в Китае. В Латинской Америке (в Колумбии, Бразилии и др.) широкое применение нашел способ III, который также успешно применяется для гидроизоляции напорных граней старых бетонных плотин в Европе.

 

3.2. Современные тенденции в проектировании плотин из укатанного бетона

Современные гравитационные плотины из УБ высотой 100 м и более на скальном основании с вертикальной напорной гранью требуют заложения низового откоса 0,8-0,95 при сейсмичности 8-9 баллов. Другим недостатком этих плотин традиционного профиля является затрудненность или невозможность их строительства на слабых полускальных и грунтовых основаниях, что подтверждает последний Бюллетень СИГБ № 117 от 2000 г. [1].

Эти ограничения обычных гравитационных плотин из УБ могут быть преодолены путем перехода на симметричный треугольный профиль плотины из особо тощего УБ (расход цемента до 50-70 кг/м³), без обработки швов УБ и с устройством на верховом откосе железобетонного экрана после возведения плотины [4]. Сейчас уже построены 3 подобные плотины высотой 25-30 м в Греции и Доминиканской республике и начато строительство двух плотин высотой 100 м в Турции и Греции (рис.1.1).

Рис.1.3 Плотина симметричного профиля высотой 100 м из особо тощего УБ с железобетонным экраном (предложение П. Лонде)

 

3.3 Определение отметки гребня плотины из укатанного бетона

Отметку гребня плотины следует назначать на основе расчета возвышения гребня (h_s) над расчетным уровнем воды. Отметку гребня плотины (Гр) следует определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе (ВБ):

а) при нормальном подпорном уровне (НПУ), соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий:

Гр = НПУ + h_s=1180+1,8=1181,8(6.1)

б) при форсированном подпорном уровне (ФПУ), при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий:

Гр = ФПУ + h_s= 1190+1,8 = 1191,8(6.2)

Из двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня плотины.

Возвышение гребня плотины h_s, в обоих случаях (Рис.6.4) определяется по формуле:

h_s = D h_set + h_{run 1%} + a =0,008+1,30+0,5=1,8 (6.3)

где D h_set - ветровой нагон воды в ВБ;

h_{run 1% -} высота наката ветровых волн обеспеченностью 1%;

а - запас возвышения гребня плотины.

Рис. 1.4. Схема определения отметки гребня грунтовой плотины: а) без парапета; б) с парапетом; 1 - расчетный уровень при НПУ и ФПУ; 2 - парапет: 3 - объем экономии грунта.

При определении первых двух слагаемых формулы (6.3) следует принимать обеспеченности скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) по СНиП 2.06.04-82*: для плотин I, II класса - 2% и III, IV класса - 4%. При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности следует принимать для сооружений I - II классов 20%, для III класса - 30%, для IV класса - 50%. Запас а для всех классов плотин принимают не менее 0,5 м.

При определении высоты наката волн на гидросооружения обеспеченность волн в этой системе принимают равной 1%.

В сейсмических районах к h_s прибавляют высоту гравитационной волны

h_g=0,4 + 0,76 (J-6) = 0,4 + 0,76 (8,5-6) =2,3 НПУ + h_g =1180+2,3=1182,3

 

где J - интенсивность землетрясения (J = 8,5 баллов)

Отметку гребня плотины принимают с учетом строительного подъема, назначаемого сверх определенного по формуле (3-3) возвышения h_s. Величину строительного подъема определяют по расчетной строительной осадке гребня.

При наличии на гребне плотины сплошного парапета, рассчитанного на воздействие волн, возвышение его верха над уровнем ВБ следует принимать не ниже значений, полученных, по формуле (3-3). Возвышение гребня плотины в этом случае назначают на 0,3 м над НПУ или на отметке ФПУ, причем принимают наибольшую из них. Парапет уменьшает объем насыпи (Рис.6.4, б), но появляются затраты на железобетон парапета.

Высота ветрового нагона определяется по формуле:

D h_set= K_wV_w²L cos a_w/gH,= 25²х0,0000025х3000хcos (0) /9,81х60=0,008 м (6.4)

где a_w - угол между направлением господствующего (расчетного) ветра и продольной осью водохранилища, град.; L - длина разгона волны по направлению господствующих ветров, м; V_w- расчетная скорость ветра на высоте 10 м над НПУ, м/с; H - условная расчетная глубина воды в водохранилище, м; g = 9,81 м/с²; K - безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра V_w по формуле:

K = 3 (1+0,3V_w) 10⁷=25,5х10⁷=0,00000255 (6.5)

При определении элементов ветровых волн водоемы делят на отдельные зоны. В ВБ обычно имеют место глубоководная зона (), где дно не влияет на основные характеристики волн, или мелководная зона (), в которой дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики (H₁ - расчетная глубина воды;  - средняя длина волны в глубоководной зоне; Н_кр - критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн).

Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1% по накату (h_{run 1%}, м) для волн 1% обеспеченности (h_1%) при глубине воды перед сооружением H₁2h_1% определяют по формуле:

=1х0,9х1,4х1,7х1,6х0,38=1,30 (6.6)

где значения высоты бегущей волны обеспеченностью 1% (h_1%) и коэффициентов К_r, К_p, K_sp и K_run определяются либо по номограммам и таблицам СНиП 2.06.04-82* [2] с погрешностью до 10%, либо точнее по нижеследующим зависимостям, полученным на основе обработки этих номограмм и таблиц. Это позволяет избежать ошибок при интерполяции данных номограмм и таблиц и проанализировать влияние отдельных факторов на высоту наката.

Для нахождения высоты волны обеспеченностью 1% (h_1%) следует знать среднюю высоту , средний период Т и среднюю длину волн  в глубоководной или мелководной зоне.

В глубоководной зоне указанные параметры волн находятся по следующим новым расчетным зависимостям:

средняя высота волны. (h_d, м)

 (6.7)

где  находится по зависимости:

 (6.8)

в которой параметр А равен меньшему значению из величин (L/V_w) или (0,5 t); V_w - расчетная скорость ветра, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с²; L - расчетная длина разгона волн, м; t - продолжительность действия ветра, принимаемая для предварительных расчетов t= 21600 с.

средний период волны (Т, с)

 (6.9)

где  =  (6.10)

средняя длина волны (, м)

 (6.11)

В расчетах устойчивости и прочности креплений откосов из бетонных плит и каменной наброски расчетная обеспеченность i% высоты волн равна, соответственно, 1 и 2%, а при определении наката волн i=1%.

Высота волны 1% обеспеченности в глубоководной зоне равна:

 (6.12)

где К_i - коэффициент, определяемый по следующей формуле:

 (6.13)

в которой i - принятая обеспеченность,%; L - длина разгона волны, м; а - показатель степени равный:

при i