автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкций каменно-земляных плотин на основе опыта производства работ

2 1 М1? №7

На правах рукописи

ПЕХТИН Владимир Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН НА ОСНОВЕ ОПЫТА ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ (для районов Крайнего Севера)

Специальность: 05.23.07 -"Гидротехническое и мелиоративное строительство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в АО "Колымаэнерго".

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор,

Заслуженный строитель РФ В.И.Телешее

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.К.Бугров; кандидат технических наук В.Г.Радченко

Ведущая организация: АО "Гидроэнергострой"

в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д.063.38.19 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу:

195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, СПбГТУ, пристройка к гидрокорпусу, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного Совета по указанному выше адресу.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат технических наук, доцент В.И.Морозов

Защита диссертации состоится

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Богатые ресурсы Дальнего Востока и Северо-Востока во все времена были основой экономического могущества Российского государства.

С 50-х годов нашего столетия началось интенсивное освоение полезных ископаемых в наиболее труднодоступных районах Крайнего Севера. Как правило, освоение районов Крайнего Севера шло по линии создания энергопромышленных комплексов при опережающем развитии электроэнергетики.

Естественно в освоении районов Крайнего Севера, имеющих значительный водный потенциал, важнейшую роль играет строительство гидроэлектростанций - источников электроэнергии, использующих возобновляемые природой водные ресурсы северных рек. Сооружен каскад ГЭС на р. Вилюе, построены гидростанции на реках: Мамокан, Хантайка и р. Курейка, Колымская ГЭС на р. Колыме, строятся Бурейская ГЭС, Вилюйская ГЭС-Ш, Усть-Среднеканская ГЭС.

В строительной науке и практике получило развитие новое направление - северная гидротехника.

Район отличается наибольшей удаленностью от промышленно развитых районов России и наиболее суровыми природно-климатическими условиями, вечно мерзлыми грунтами, минусовой среднегодичной температурой. Все эти причины вызывают необходимость неординарного подхода к конструкции и технологии возведения напорных гидротехнических сооружений в этом регионе как бетонных, так и из местных материалов.

Различные аспекты северной гидротехники нашли отражение в многочисленных публикациях, научных отчетах, материалах научно-технических конференций.

Одним из наиболее распространенных типов напорных сооружений в этом регионе являются плотины из местных строительных материалов и в частности каменно-земляные, как наиболее удовлетворяющие общим условиям экономики, технологии и организации строительства. Такие плотины возведены на всех упомянутых выше гидроузлах. Накоплен значительный опыт возведения этих сооружений в особо суровых климатических условиях и очень важно провести его обобщение, наметить

пути дальнейшего совершенствования конструкций и технологий возведения таких сооружений.

Несмотря на сегодняшний кризис в экономике России, в том числе и в гидроэнергетическом строительстве, гидроэнергетика на Крайнем Сквере в будущем безусловно снова займет ведущее положение среди важнейших отраслей страны. Поэтому опыт строительства на вечномерзлых грунтах, накопленный десятилетиями, должен быть систематизирован и сохранен для будущего. Именно этой задаче - научному обобщению опыта возведения каменно-земляных плотин в районах Крайнего Сквера и разработке соответствующих рекомендаций, вытекающих из этого опыта, и посвящена данная диссертация.

Из многочисленных проблем строительства таких плотин для детального анализа и обобщения выбрано малоисследованное направление - совершенствование конструкций и технологии возведения отдельных элементов плотин, оказывающих существенное влияние на технологическую последовательность и сроки возведения сооружения.

Цель работы. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций и технологии строительства отдельных элементов каменно-земляных плотин, возводимых в районах Крайнего Севера, на основе обобщения опыта проектирования и строительства конкретных плотин.

Методической основой выполнения работы явились:

опытно-производственные исследования технологичности конструкций элементов плотин (потерн);

- сравнительная оценка условий сопряжения потерны с грунтами ядра и экономические расчеты по выбору типа потерны;

анализ данных КИА о натурных наблюдениях за термовлажностным и напорным режимами в низовом клине каменно-земляных плотин.

Научная новизна. На основе проведенных опытно-производственных исследовании, обобщения и анализа данных натурных наблюдений получены следующие новые научные результаты:

- выявлены факторы, влияющие на выбор конструкции и технологии возведения потерн (галерей) в основании плотин и установлена степень их влияния на выбор, что позволяет более обоснованно проводить сравнение вариантов;

- разработана оптимальная технология возведения потерны в один межпаводковый период;

- проведен сравнительный анализ внешних нагрузок на потерну, определяемых различными методами и данными натурных наблюдений и рекомендован метод, обеспечивающий получение наиболее достоверных результатов;

- установлена опасность появления высоких уровней воды в переходной зоне за ядром плотины при оттайке основания и усиленной обходной приточности воды;

- предложены два варианта обеспечения нормальной эксплуатации плотины в условиях возможного возникновения напорного режима я низовой переходной зоне.

Личный вклад автора заключается:

в проведении опытно-производственных наблюдений непосредственно на строительстве каменно-земляной плотины;

- в обобщении и анализе проектных, производственных и эксплуатационных материалов, данных КИА по конструированию и технологии возведения отдельных элементов каменно-земляных плотин.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке конкретных рекомендаций по совершенствованию конструктивно-технологических решений отдельных элементов плотин (потерны, переходного слоя, низового клина).

В частности разработаны рекомендации по следующим вопросам:

- по выбору конструкции потерн в основании плотин;

- по технологии возведения этих потерн;

- по расчетам нагрузок на потерну от грунтов плотины;

- по обеспечению надежности плотины в условиях возникновения напорного режима в низовой переходной зоне.

На защиту выносятся:

- результаты опытно-производственных наблюдений в период строительства и эксплуатации плотины Колымской ГЭС по оценке влияния различных факторов на выбор конструкции и технологии возведения потерн;

- особенности конструирования переходной зоны плотины в условия^ промерзания низовой каменно-набросной призмы;

- рекомендации для нормативных документов по совершенствованию конструкций и технологии возведения потерн переходных зон и низового клина, являющиеся конечными результатами исследований

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований и разработанные рекомендации использованы в проектных проработках ряда организаций проектной и научно-исследовательской ориентации: "Ленгидропроектом", ВНИИГ им. Веденеева, "Гидропроектом" им. А.Я.Жука, АО "Гидроэнергострой", АО "Колымагэсстрой". Большая часть конструктивных разработок и решений нашли свое применение при строительстве Усть-Среднеканской ГЭС.

Апробация результатов диссертационной работы.

Основные результаты, полученные при выполнении работы, неоднократно обсуждались на технических совещаниях, технических советах "Ленгидропроекта", ВНИИГ им. Веденеева, научных семинарах СГ16ГТУ, МЭИ, МИСИ.

Главной апробацией является 15-тилетняя эксплуатация Колымской ГЭС, первой ГЭС на Крайнем Северо-Востоке и строительство 2-ой ГЭС Колымского каскада - Усть-Среднеканской, первые агрегаты которой будут пущены в этом веке, несмотря на экономический кризис.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3-х печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 84 наименований и приложений.

Работа содержит 80 страниц машинописного текста, а также 34 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, ее научная новизна, практическое значение и реализация при проектировании и строительстве каменно-земляных плотин.

В первой главе "Современное состояние конструирования и технологии строительства плотин из грунтовых материалов, возводимых в сложных природно-климатических условиях" дан краткий анализ этих вопросов для зарубежного и отечественного северного плотиностроения. На примерах послевоенного периода гидротехнического строительства в России, в скандинавских странах, в Северной Америке (Канада, Аляска) показано последовательное совершенствование конструкций грунтовых и каменно-земляных плотин и технологий их возведения. Отмечается, чю в

отечественном северном плотиностроении используются оба известных способа возведения: "мерзлый" и "талый". При этом вариант "талого" определился как основной при возведении средне и высоконапорных плотин. Установлены общие отличительные особенности в зарубежном и отечественном северном плотиностроении в конструктивных и технологических решениях для каменно-земляных плотин. На конкретных примерах показывается, что, как в зарубежной, так и в отечественной практике проектирования и строительства наблюдается тенденция к преимущественному возведению плотин с центральными или слабо наклонными грунтовыми ярами и сделана попытка объяснить это с позиций повышения контроля надежности плотин. В вопросах технологий возведения имеются существенные отличия. В частности послевоенный период зарубежного северного плотиностроения, 1950-1990 г.г., отличается узким диапазоном применения способов укладки связных грунтов (з основном послойная "насухо") и ограничительными особенностями использования зимнего периода - для связных и сыпучих грунтов, а также при отсыпке каменной массы. За этот же период а отечественном северном плотиностроении были достигнуты положительные результаты применения различных способов укладки связных грунтов (отсыпка в прудки, послойная "насухо") с использованием как летнего, так и зимнего сезонов, причем в последнем случае в климатических условиях не имеющих примеров в мировой практике возведения плотин. Указывается на существенное различие технологии возведения каменно-набросных призм. Как положительный фактор в отечественном строительстве, отмечается отсыпка основной каменной массы крупными слоями (за исключением контакта с фильтром) без механического уплотнения. На основе данных натурных наблюдений показано, что эффект механического уплотнения в общей деформации призм незначителен и поглощается статичерким нагружением от собственного веса и влиянием гидростатики при изменении уровней воды в верхнем бьефе.

Отмечаегся, что в отечественном северном плотиностроении с возведением плотины Колымской ГЭС повышалось требование к качеству укладки грунтов в противофильтрационные элементы плотин. Путем сопоставления состояний наиболее крупных отечественных каменно-земляных плотин, построенных в районах Крайнего Севера, показано неоспоримое преимущество в качестве уложенного грунта при применении сезонной ("летней") послойной укладки "насухо". В заключении первой

части главы 1 выделены положительные достижения в вопросах конструирования и технологии возведения плотины Колымской ГЭС и приводятся предложения по использованию этих материалов при составлении нормативных документов для северного плотиностроения. В частности, к ним относятся: удачное решение общей конструкции плотины с обжатым ядром и широкой низовой переходной зоной; технология укладки связных грунтов ядра, ограниченная "летним" сезоном с расширением его путем применения упрощенной схемы "зимней" укладки; технологии отсыпки каменных призм.

Сопоставляя отечественный и зарубежный опыт северного плотиностроения сделан вывод о том, что в конструктивных решениях достигнут примерно одинаковый прогресс. Но отечественный опыт накоплен и успешно реализован в более сжатые сроки. Требования к качеству укладки грунтов в отечественной практике снижен только для горной массы, что вполне себя оправдало - каких-либо аварийных ситуаций, серьезных повреждений в плотинах из-за деформаций каменно-набросных призм не наблюдалось. Все это объясняется высоким теоретическим вооружением, приобретенным опытом отечественными проектировщиками, строителями, исследователями, а в целом заслугой поколений инженеров и ученых таких, как В.А.Авдеев, Г.Ф.Биянов, А.К.Бугров, А.Ф.Васильев, И.М.Васильев, В.И.Вуцель, С.С.Вялов, Я.Э.Глускин, А.Л.Гольдин, Б.Н.Далматов, В.Н.Жиленков, Ю.К.Зарецкий, П.Л.Иванов, О.А.Когодовский, В.В.Колеганов, И.В.Кривоногова, Я.А.Кроник, Л.И.Кудояров, С.А.Кузьмина, В.С.Кузнецов, Е.Д.Лосев, Т.В.Матрошилина, В.Г.Мельник, В.А.Мельников, И.С.Моисеев, Н.А.Мухетдинов, Ю.Н.Мызников, М.П.Павчич, В.Г.Петров, В.Г.Порхаев, Ю.П.Правдивец, В.Г.Радченко, Л.Н.Рассказов, В.А.Савина, А.А.Серов, Н.А.Тен, В.И.Телешев, Л.А.Торопов, Г.Т.Трунков, В.А.Турчина, С.Б.Ухов, Ю.И.Фриштер, В.Н.Фрумкин, Г.С.Шадрин, К.Г.Юшкова и других специалистов, внесших не меньший вклад в "северное" плотиностроение.

Значительная часть первой главы посвящена состоянию основных вопросов, составляющих цель настоящей научной работы. На фактическом материале показана необходимость специальных подходов к конструированию и к расчетам каменно-земляных плотин при возникновении в строительном и в эксплуатационном периодах мерзлой водонепроницаемой низовой каменно-набросной призмы с обводненной низовой переходной зоной. Особое внимание в обзоре уделено состоянию

конструирования и технологии возведения наземных цементационных потерн. На примерах их строительства показано, что при проектировании первого этапа возведения плотин ряд вопросов часто не дорабатывается. Обращено внимание на отсутствие в отечественном северном плотиностроении подземных вариантов цемпотерн - наиболее, по-нашему мнению, целесообразных в условиях совмещения по времени возведения водоупорного подземного фронта и плотины. Показаны недостаточность разработок, направленных на унификацию наземных конструкций цемпотерн и необходимость совершенствования технологии, обеспечивающей сжатые сроки их возведения, обычно увязанных с пропуском строительных расходов при перекрытии русла реки. На основе этого сформулированы задачи исследований.

Во второй главе "Потерны каменно-набросных плотин. Совершенствование конструкций и технологий возведения" рассмотрена и предложена методика подхода к вариантному проектированию и выполнена разработка технологии возведения наземной потерны.

Наличие потерны позволяет решать многие задачи как во время строительства плотины, так и в период ее эксплуатации. Кроме устройства цемзавес, работ по укреплению основания плотины, устройству дренажа, в потернах устанавливается контрольно-измерительная аппаратура, позволяющая наблюдать за давлением воды в основании плотины, за эффективностью работы цементационной зазесы и дренажа, за температурой воды и основания плотины, за деформациями основания и другие наблюдения. Потерна обеспечивает возможность контроля за состоянием и безопасностью плотины, является источником разнообразной информации для диагностики плотины. Потерна позволяет проводить, в случае необходимости, работы по восстановлению цементационных завес, дренажных систем и укреплению основания плотины.

В ряде случаев без цементационной потерны невозможно решить многие вопросы, связанные с возведением определенного типа плотины в конкретных природных условиях створа. Примером может служить плотина Колымской ГЭС. Цементировать мерзлые скальные породы можно было только после их оттайки до положительной температуры. Цементационная потерна позволила решить многие несовместимые по времени и технологии сгроителыю-монтажные работы по возведению плотины - отработке бортов и русла реки, отогреву основания и его цементации, возведению тела плотины.

При решении вопросов о необходимости строительства в основании плотины потерны, следует иметь ввиду, что возведение потерны дело трудоемкое и дорогостоящее. Стоимость работ по устройству потерны составляет порядка 10% общий стоимости плотины. Кроме того, в условиях Северной строительно-климатической зоны, при практическом отсутствии стока рек в зимний период и большими весенними, летними и осенними расходами рек, строительство наземной или заглубленной потерны в русловом участке возможно только зимой.

В последние годы в проектной практике наметилась еще одна тенденция устройства цемпотерн - не по скальному основанию с разработкой аллювиальных отложений в русле реки, а непосредственно по русловым отложениям или по насыпным грунтам тела плотины. Этот прием позволяет облегчить возведение потерны и плотины, но ври этом должна решаться задача устройства противофильтрационной завесы ниже цемпотерны. Такие цемпотерны можно условно назвать "плавающими", т.е. в русловой части расположенными в теле плотины, а на береговых склонах опирающихся на коренные породы или устраиваемые способом горной проходки в берегах. Подобные потерны запроектированы в плотинах Ирганайской и Тельманской ГЭС.

Возможен еще один вариант устройства потерны - проходка ее горным способом в коренных породах русла реки. При этом варианте строительно-монтажные работы по возведению плотины, устройству потерны и цементационных завес не зависят друг от друга и удачно совмещаются. Основным преимуществом здесь будет возможность независимого производства работ по устройству потерны и возведению плотины и сокращение общего времени возведения плотины.

Таким образом, решение задачи о создании подземного противофильтрационного фронта с помощью цемзавес из потерн приводит к вариантному проектированию конструкции плотины, строго увязанного с выполнением строительных наземных и подземных-работ. . .

Предлагается, как обязательный этап проектирования, выполнять сопоставительную оценку всех вариантов устройства цемпотерн (рис. 1). Методика сопоставительной оценки приводится на примере конкретной обстановки. В работе она выполнена для руслового участка плотины Колымской ГЭС по 16-ти основным влияющим факторам, включающих восемь технологических: зависимость возведения потерны от готовности временных сооружений (перемычки, строительный туннель и пр.);

Рис. 1. Схема конструкций цементационных потерн: а - наземная эксплуатационная потерна Колымской плотины, б - заглубленная потерна -первоначальный вариант проекта Колымской плотины, в и г - туннели подземного варианта (проектом не рассматривались)

влияние возведения потерны на технологию строительства плотины и ее элементов; влияние на схему пропуска строительных расходов; объемы водоотлива при устройстве цемпотерны; влияние климатических условий года на строительство потерны; объем конструкционных материалов для возведения потерны и постоянных транспортных подходов; глубины бурения скважин для устройства цемзавесы; а также восемь факторов, учитывающих условия нагружения и деформирования конструкции потерны и ее воздействие на работу ядра плотины. Сопоставление выполнено для трех вариантов потерн: подземного (не рассмотренного в проекте), заглубленного (разработан в первоначальном проекте) и наземного (осуществленный). Результаты сопоставительной оценки (в диссертации приведены в табличной форме) показали, что из 16-ти факторов в 14-ти преимущество имеет подземный вариант. Сравнительная оценка между заглубленным и наземным вариантами показала, что по технологическим факторам преимущество у наземного варианта; по факторам, учитывающим условия работы конструкции потерны и ее влиянию на работу ядра, преимущество у заглубленного варианта.

Сравнительная оценка вариантов потерн была выполнена и в стоимостном выражении. Учитывая исполненную схему осуществленного варианта плотины с наземной потерной, для сопоставления с подземным вариантом, в стоимости осуществленного варианта учтены открылки-плиты на контакте ядра с основанием; в стоимость подземного варианта -туннель с транспортными подходами и бетонная плита в сопряжении ядра с основанием. В итоге, стоимости вариантов по ценам 1984 г., установленным для строительства Колымской ГЭС составили: осуществленный вариант (наземная потерна) - 5200 тыс. руб.; вариант с заглубленной потерной - 4378 тыс. руб.; подземный - 3487 тыс. руб. Таким образом, и по стоимости строительства подземный вариант наиболее в конкретных условиях Колымской ГЭС оказался выгодным.

Вне сомнений, что при первоначальной разработке проекта с учетом изучения влияния указанных выше факторов, проектное решение для Колымской ГЭС могло быть иным, вероятней всего в пользу подземного варианта строительства потерны.

Многолетняя практика проектирования и строительства цементационных потерн показала на индивидуальность подхода при решении конструктивных и технологических задач. Прослеживается

тенденция в последовательном увеличении внутренних размеров потерн и в упрощении внутренних форм. Проблема переросла в необходимость унификации конструкций потерн. Первый шаг был сделан Ленгидропроектом в 1990 году. Был выпущен альбом "Унифицированные конструкции потерн в теле земляных плотин". При разработке унифицированных конструкций авторы опирались на накопленный опыт проектирования и строительства, на результаты расчетов напряженного состояния тел потерн, выполненных МКЭ в рамках модели теории упругости. Однако, определение нагрузок на наземные потерны от давления грунтов осуществлялось методом, построенном на упрощающих предпосылках, которые в весьма значительной мере снижают ценность расчетов. В работе сделана попытка выявить эту меру несовершенства и рекомендовать способ, обеспечивающий достаточную достоверность расчетов нагрузок. Известно, что нагружение потерны сопровождается сложными процессами деформирования и перераспределения напряжений в окружающем жесткий выступ грунтовом массиве. Была поставлена задача путем сравнения результатов определения нагрузок на потерну, рассчитанных упрощенными и более совершенным методом, установить область их применения. Показано, что упрощенный расчет нагрузок построен на использовании модели гипотетической среды с определением соотношений главных напряжений по предельной схеме или с использованием коэффициента бокового давления, т.е.

(с}х: Чг) = tq2(nl4 - ф/2 ) или (Чх: Ч*) =

Эффект концентрации давлений на выступ при этом учитывается заданием коэффициента п > 1. Располагая данными натурных наблюдений, расчетом НДС с применением упруго-пластической модели А.К.Бугрова, на примере расчетов потерны плотины Колымской ГЭС, была выполнена сравнительная оценка методов (рис. 2). Установлено, что упрошенная методика искажает физическую картину нагружения потерны и не рекомендуется к использованию. Достоверна* картина может быть получена на базе применения смешанной (упруго-пластической) модели.

Показано, что тенденция увеличения внутренних размеров потерн сопровождалась непоследовательностью расходов конструкционных материалов - бетона, арматурной стали - что являлось следствием несовершенства методик определения действующих нагрузок и расчетов

усилий. Все это указывает на необходимость продолжить работу по унификации не только расчетов, но и конструкций наземного варианта потерны. Известно, что внутренние размеры устанавливаются по габаритам, достаточным для безопасного выполнения работ по бурению и устройству цемзавесы. При установлении внешних размеров и формы возникает проблема учета несогласованности между поперечными размерами несущих элементов (свода, стен, лотка), полученных расчетом, и размерами и формой потерны по условиям обеспечения фильтрационной прочности приконтактной области грунтов ядра. В практике строительства потерн, выгодное, с позиций распределения усилий, полуциркульное очертание заменяют трапецеидальным или полигональным, с наклонными боковыми стенами, повышающими контактную прочность грунтов ядра. Некоторый перерасход бетона с положительным эффектом компенсируется повышением технологичности возведения потерны.

Рис. 2. Схемы нагружений шахты цемпотерны Колымской плотины давлением грунтов; ц - по упрощенной методике; а - расчетом напряженно-деформированною состояния плотины (эксплуатационные случаи)

Повышение технологичности строительства потерны - одна из основных задач настоящей работы. Возведение цементационной потерны в русловой части плотины - является важнейшим и наиболее сложным этапом строительства гидроузла. В северной климатической зоне проблема возведения потерны усложняется ограниченным периодом времени, который может быть использован для строительства. В такой обстановке оказалось строительство наземной потерны плотины Колымской ГЭС. Однако, несмотря на периодические остановки из-за резких снижений температур воздуха, возведение наземной потерны было выполнено в

рекордные для практики северного плотиностроения сроки - в зимне-весенний период одного календарного года. Для успешного решения этой задачи автором была предложена усовершенствованная технология строительства потерны с применением сборного железобетона. Цементационная потерна была предусмотрена в виде трапеции с наклоном боковых стен не более 2:1. Была осуществлена главная задача - механизация опалубочных работ путем применения разработанных с участием автора диссертации сборных железобетонных элементов, состоящих из потолочных и стеновых плит - опалубок для внутреннего контура (рис. 3).

Рис 3. Схема цемпотерны Колымской ГЭС с внутренней опалубкой из железобетонных плит ПО-1 и ПО-2

Используя симметричность внутреннего сечения, сборность из трех элементов с двумя типоразмерами, была достигнута высокая технологичность и экономичность при изготовлешш, транспортировке и установке сборных элементов. В результате, после бетонирования блоков ( / = 12 м ), с предварительно установленными закладными элементами уплотнения швов, из цикла возведения исключались работы по разборке опалубок и очистке потерны, обычно решаемые применением в основном ручного труда. По изложенной технологии была построена потерна по всей проектной длине, которая составила ~ 800 м.

Разработанный и реализованный способ строительства цемпотерны оценен положительно как с технологической, так и с экономической позиций. Экономический расчет был выполнен в двух вариантах: первый - с некоторым занижением затрат, второй без неправомерного по существу их

занижения. В результате экономический эффект составил соответственно 5,1% и 9%.

В заключении отметим, что применение сборных плит-опалубок позволило решить главную задачу - возвести потерну в. сжатые .сроки одного зимне-весеннего периода и открыть широкий фронт работ по возведению всех элементов плотины: ядра, переходных зон, каменно-набросных призм.

Третья глава посвящена вопросу конструирования каменно-земляной плотины с мерзлой низовой призмой.

При возведении плотины в суровых климатических условиях Крайнего Севера, где среднегодовые температуры снижаются до -12°+ -13°С и ниже, процессы конвективного теплообмена, возникающего вследствие движения воздуха в порах каменной наброски, приводят к смерзанию призмы и к заполнению пор льдом. Мерзлая низовая призма с заполненными льдом порами создает водонепроницаемую преграду профильтровавшейся из верхнего бьефа воды (рис. 4). В

Рис. 4. Температурное ноле в русловой плотине Усть-Хантайской ГЭС по окончанию возведения

результате, между ядром и мерзлой призмой переходная зона оказывается обводненной с напорами близкими к напорам верхнего бьефа, как например это имело место на плотинах Колымской ГЭС и других. Каких-либо нормативных указаний и требований по учету в проекте указанного явления для каменно-земляных плотин нет. В "Руководстве... П48-76 (ВНИИГ)" содержится требование лишь к установлению местонахождения дренажа, находящегося в талом состоянии в теле грунтовой плотины. Однако, изменения с образованием напорного режима в низовой переходной зоне статического и гидродинамического нагружения должно

быть обязательно учтено проектом. Нормативные требования должны быть расширены с четким определением условий, обеспечивающих надежность работы плотины. Предлагаются два варианта решения проблемы обеспечения нормальной эксплуатации каменио-земляной плотины, находящихся в указанных особых услЬвиях нагружения.

Первый вариант допускает возникновение и длительное действие напорного режима в низовой переходной зоне. Второй вариант исключает возможность обводнения низовой переходной зоны. По первому варианту прогноз поведения и обеспечения надежности должен опираться на традиционные расчеты с учетом обводнения переходной зоны, включающий изучение термо-влажностного режима, деформирования, консолидации ядра и устойчивости плотины, а также на устройство дополнительных элементов, сохраняющих целостность плотины. К ним относятся переходный слой между обратным фильтром и каменной наброской, из специально подготовленной и проверенной экспериментально смеси, исключающей вынос материала фильтра, и слоя из каменной мелочи не допускающий просыпания материала переходного слоя. Кроме того должны быть выполнены мероприятия, исключающие вынос материала переходной зоны в трещины основания и в галереи при раскрытии межсекционных швов.

В варианте не допускающем явление напорного режима в низовой переходной зоне предусматривается обогреваемый дренаж, конструкция которого выполняется в виде железобетонной галереи, способной воспринять нагрузки от окружающего грунтового массива переходной зоны с удовлетворением всех требований, предъявляемых к подземному сооружению высокого класса капитальности, что объясняется комплексным ее использованием (отвод дренажных вод, визуальные наблюдения, размещения КИА и ее магистралей). Местоположение дренажной галереи выбирается с позиций перехвата водного потока, поступающего вследствие фильтрации через основание и ядро, и наибольшего растепляющего эффекта в области примыкания переходной юны к основанию. Обогрев может осуществляться принудительной вентиляцией воздуха: летом - за счет естественного тепла, зимой - с подогревом калориферами или другими источниками тепла. Подробно конструкционные детали галереи и вопросы обогрева в работе не рассматривались.

Предлагаемые два решения для учета влияния на работу плотины напорного режима в низовой переходной зоне конкурентные. Задача выбора варианта может быть решена только для индивидуального проекта каменно-земляной плотины, возведение которой будет осуществляться в конкретной обстановке района строительства.

В четвертой главе приведены материалы, рекомендуемые для использования в нормативных документах (СНиП, дополнения к СН, временные указания и прочие). В указанных материалах, представленных как результаты выполненной настоящей научной работы, рассмотрены вопросы, связанные с особенностями северного плотиностроения, определяемые суровыми климатическими условиями, обильными весенне-летними и осенними паводками и изменениями температурного режима основания, находящегося в естественных условиях в состоянии вечной мерзлоты. Рекомендуемые материалы ограничены проблемами: выбора варианта строительства цементационной потерны, ее конструирования и определения нагрузок, учета взаимодействия наземной и полузаглубленной потерн с грунтами ядра при решении задачи обеспечения фильтрационной прочности; технологии возведения потерны в сроки одного межпаводкового периода; конструирования и расчетов каменно-земляной плотины, находящейся в особых условиях нагружения при обводнении низовой переходной зоны.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Опыт строительства и эксплуатации грунтовых плотин подтверждает условность в разделении элементов. плотины на основные и второстепенные. Выполненный в настоящей работе анализ показал, что "второстепенные" элементы (потерны, галереи, элементы переходной зоны и др.) могут оказаться определяющими в выборе технологической схемы возведения плотины и всего гидроузла в целом, в обеспечении надежности плотины, как наиболее ответственного сооружения в комплексе гидроузла.

2. Обоснованный выбор проектного решения устройства цемпотерны может быть осуществлен только при рассмотрении всех возможных вариантов в конкретной геологической, гидрогеологической и топографической обстановке створа плотины и подходов к нему. Как показал выполненный сопоставительный анализ, для плотины с ядром или экраном, с позиций технологии ее возведения, условий работы системы

основание-потерна-ядро, сроков выполнения строительных работ первого этапа гидроузла, и учетом других факторов преимущество имеет подземный вариант. Известные осуществленные решения в наземном, заглубленном и полузаглубленном вариантах являются результатом неполных проектных проработок или невозможностью выполнения подземных работ по другим причинам.

3. Расчет усилий в конструкциях наземной и полузаглубленной потерн и оценка фильтрационной прочности примыкающего к потерне грунтового массива ядра (экрана) с достаточной достоверностью могут быть выполнены только на основе предварительного расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины с применением модели, учитывающей физическое состояние грунтов, характерное при возведении каменно-земляных плотин в северной климатической зоне. Расчеты НДС должны быть обязательным нормативным требованием при проектировании плотины I и II классов капитальности.

4. Применение упрощенных форм по наружному и внутреннему периметрам наземной и полузаглубленной потерн (трапецеидальной, полигональной) создают условия, при которых с помощью сборной железобетонной опалубки удается механизировать все работы и обеспечить выполнение главной цели - возможности в один зимне-весенний межпаводковый период завершить работы I этапа в русловой части плотины, наиболее важный и трудоемкий для северной климатической зоны.

5. Технологическая схема строительства с оттайкой основания за счет теплового режима водохранилища создает условия для установления напорного режима в низовой переходной зоне, экранизированной с низовой стороны водоупорной промороженной каменно-набросной призмой.

Обоснованная оценка надежности плотины в этих условиях может быть выполнена только вариантным проектированием или с допущением сохранения напорного режима в низовой переходной зоне и применением соответствующих дополнительных конструктивных элементов по защите обратного фильтра или в варианте не допускающем напорного режима в переходной зоне путем устройства обогреваемой дренажной галереи.

6. Разработанные в диссертации конструктивные и технологические решения во многом реализованы при строительстве Колымской ГЭС и в

настоящее время используются при проектировании и строительство Усхь-Среднеканской ГЭС.

7. Изложенные выше материалы диссертации рекомендуются для включения в нормативные документы.

Публикации по теме диссертации

1. Пехтин В.А., Серов A.A. Об устройстве потерн в теле грунтовых плотин. Гидротехническое строительство, 1997, №2, с.

2. Пехтин В.А. О проектах контрольно-измерительной аппаратуры в гидротехнических сооружениях. Гидротехническое строительство, 1997, № 2, с.

3. Пехтин В.А. Об устройстве обогреваемых дренажей в плотинах из местных материалов в северной строительно-климатической зоне. Гидротехническое строительство, 1997, № 3, с.