Ванг Вейбяо. Усовершенствования в конструкции и методах строительства плотин с асфальтовой диафрагмой - файл n1.doc

приобрести
Ванг Вейбяо. Усовершенствования в конструкции и методах строительства плотин с асфальтовой диафрагмой
скачать (2586 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2586kb.08.07.2012 00:13скачать

n1.doc

Журнал Hydropower & Dams, том 17, № 3, 2010 год.
Усовершенствования в конструкции и методах строительства плотин с асфальтовой диафрагмой
Ванг Вейбяо, Ксианский Технологический Университет, Китай

Насыпные плотины с асфальтовой диафрагмой приобретают все

большую популярность, поскольку преимущества такой конструкции

становятся все более очевидными, а технология строительства

оказалась простой и надежной. За последние 50 лет в таких странах, как Австрия, Германия, Япония, Китай и Норвегия было построено много плотин этого типа, а сейчас начитается их строительство в Бразилии и Канаде. В статье освещаются результаты недавних исследований и приводятся примеры конкретных объектов; дается сравнение насыпных плотин, построенных с грунтовым ядром, асфальтовой диафрагмой, железобетонным экраном и экраном из геомебран (геоткани), отмечаются их сравнительные преимущества и недостатки.

Первая насыпная плотина с уплотненной асфальтобетонной диафрагмой была построена в Германии в 1961-1962 годах. В журнале Hydropower & Dams1 за 2009 год был приведен перечень плотин с асфальтобетонными диафрагмами, которые были возведены или строятся в настоящее время в разных странах. Международная Комиссия по Крупным плотинам (ICOLD) и другие организации уже приводили итоговые данные, обобщающие опыт в отношении проектирования, строительства и функционирования плотин такого типа (например, ICOLD, 19922; Hoeg, 19933; Creegan and Monismith, 19964; Schonian, 19995; Hoeg et al, 20076; Wang, 20087).

Большая часть плотин с асфальтовой диафрагмой построена в Европе или европейскими подрядчиками, но в Китае построено и в настоящее время строится несколько плотин такого типа, в том числе плотина Quxue высотой 170 метров, которая станет самой высокой на данный момент. Эта плотина расположена в сложном с географической точки зрения месте, в узкой впадине с очень крутыми примыканиями. Недавно были построены первые плотины с асфальтовой диафрагмой в Испании, Саудовской Аравии и Иране. В Канаде только что завершено строительство плотины с асфальтовой диафрагмой, первой в Северной Америке плотины такого типа (Alicescu et al, 20088), и компания Hydro Quebec приняла решение о строительстве еще шести таких плотин в провинции Квебек (в рамках проекта La Romaine). В Бразилии сейчас идет строительство первой плотины с асфальтовой диафрагмой, Foz do Chapeco, см Фото (а), и рассматривается вопрос о создании еще нескольких для огромного гидроузла в районе реки Амазонки. Ввиду возрастающего интереса к плотинам этого типа ICOLD решила обновить свою сводку информации (ICOLD, 19922) по данному вопросу.




Фото (а): Строящаяся в Бразилии в 2010 году плотина с асфальтовой диафрагмой

Foz do Chapeco




  1. Результаты последних исследований по применению асфальтобетона для насыпных плотин



Предшествовавшие исследования и практический опыт продемонстрировали, что свойства асфальтобетона можно подобрать в весьма широких пределах так, чтобы они удовлетворяли конкретным проектным требованиям. Строительство асфальтовой диафрагмы в полевых условиях и методы контроля качества легко выполнимы, например, по сравнению со строительством в верхнем бьефе бетонной облицовки с армированием и устройством швов. Асфальтобетон можно сделать практически непроницаемым и гибким, он устойчив к эрозии и старению, и позволяет выполнить бесшовную конструкцию. Его вязкоупругие и пластические свойства гарантируют способность к самозалечиванию и самоуплотнению в случае возникновения трещин в стенках диафрагмы в результате дифференциальных смещений (деформаций сдвига), вызванных нагрузкой от сильного землетрясения. Асфальтобетон является очень «великодушным» материалом, который сам освобождается от концентраций напряжений. Использование более мягкого битума (асфальтового вяжущего) по сравнению с предыдущими конструкциями улучшает качество самоуплотнения и позволяет снизить температуру и расход энергии при производстве материала, транспортировке и укладке диафрагмы. Было разработано несколько составов модификаторов битума для дальнейшего улучшения его инженерных свойств, если таковые потребуются для какого-либо конкретного особого объекта. На всех построенных плотинах ни разу не наблюдалось фильтрации через асфальтовую диафрагму.



    1. Влияние на асфальтобетонную диафрагму нагрузок, возникающих в результате землетрясений


По данным опубликованных материалов, было выполнено не так много экспериментальных исследований для изучения поведения гидротехнического асфальта под воздействием циклического нагружения, моделирующего вибрации при землетрясениях (Hoeg, 20059). Авторы Breth и Schwab (197310) провели испытание на циклический прямой сдвиг на образце асфальтобетона, моделирующем элемент диафрагмы, находящийся внутри насыпной плотины. Данное исследование не пошло дальше предварительной стадии, но авторы сделали вывод о том, что прилагавшаяся циклическая нагрузка не приводила к ухудшению свойств испытываемого асфальтобетона. Это отражало состояние вопроса до тех пор, пока Nakamura с соавторами (200411) не провел испытаний на циклическое растяжение для моделирования условий растяжения, которые могут возникнуть в асфальтобетонной облицовке верхнего бьефа под действием сейсмических нагрузок. Они также исследовали применение добавок (модификаторов) к битуму с целью повышения его пластичности и устойчивости к растрескиванию. Недавно Feizi-Khankandi c соавторами (200812, 200913) опубликовал результаты проведенных циклических трехосных испытаний с целью выяснения свойств материала для выполнения сейсмического анализа насыпной плотины с асфальтовой диафрагмой Гармруд в северном Иране.

Авторы Wang (20087) и Wang b Hoeg (200914) исследовали влияние циклической нагрузки на прочность в напряженно-деформированном состоянии и на проницаемость асфальтобетона при различных температурах в разных режимах статического и циклического напряжения. Циклическое нагружение с частотой 1 Гц выполнялось на трехосных образцах при значениях температуры 3.5С, 9С и 20С. При длительном нагружении продольные напряжения были в диапазоне от 0.2 до 1.5 МПа, а статический коэффициент механических напряжений (отношение аксиального напряжения к радиальному) – от 1.2 до 2.0. Временное циклическое аксиальное напряжение (половинная амплитуда) составляло величину до 2.4 МПа, что означает, что максимальное приложенное касательное напряжение было равно 1.2 МПа. Определялись циклические и остаточные деформации для различных комбинаций статических и циклических напряжений и температур. В дополнительной серии испытаний для изучения влияния неоднократных циклов нагрузки выполнялись тысячи нагрузочных циклов. После снятия этих циклов прочность в напряженно-деформированном состоянии и проницаемость асфальтобетона сравнивались с этими показателями образцов, не подвергавшихся циклическим нагрузкам, чтобы выяснить, привели ли эти нагрузки к какому-либо ухудшению характеристик.

На основании результатов опытов авторами были сделаны следующие выводы:

Результаты свидетельствуют, что асфальтовая диафрагма насыпных земляных плотин в сейсмоопасном регионе может выдерживать весьма сильные сейсмические вибрации без растрескивания и потери водонепроницаемости. Устойчивость плотины к землетрясению зависит скорее от правильно выбранной конструкции и зонирования самой насыпи, с учетом имеющихся материалов для засыпки, состояний основания, и сейсмичности данного участка.


    1. Сопротивление трещинообразованию


Разрывы или трещины могут возникать в отдельных местах в результате больших напряжений сдвига или растяжения, вызванных нагрузкой, приложенными смещениями, или температурными колебаниями. Уровень механических напряжений, при котором возникают трещины, зависит от ряда факторов, например, от состава асфальтовой смеси, скорости нагружения (скорости деформации) и температурного уровня.

Kawashima с соавторами (199715) и Nakamura с соавторами (200411) документально доказали, что скорость деформации оказывает существенное влияние на величину деформации растяжения, при которой образуются трещины в асфальтобетоне. Недавно Wang (20087) провел серию испытаний различных асфальтобетонных смесей. В качестве крупного и мелкого заполнителя использовался известняк. Максимальный размер частиц заполнителя составлял 16 мм, и отношение размера крупного заполнителя к мелкому было постоянным. Подготовленные лабораторные материалы были нарезаны на образцы размером (40 х 40 х 220) мм3 для испытаний на прямое растяжение и на образцы размером (35 х 40 х 250) мм3 для испытаний на изгиб балки. Воздушная пористость (процентное содержание воздушных пустот) всех образцов была в пределах между 1.5 и 2 процентами. При возникновении растрескивания исследовалось влияние состава битума, типа битума, температуры и применения добавок на деформации при прямом растяжении и изгибе. К обычному битуму АН-90 (обозначение по китайским ТУ, что соответствует битуму типа В90 по европейским стандартам на битум) в качестве модификатора вводилась добавка Стирен-Бутадиен-Стирена (SBS) (в количестве 0.4% от веса битума) для получения материала, способного выдерживать более сильные деформации без трещинообразования. Результаты приведены на Рис. 1 и 2.





Рис. 1. Деформации изгиба при трещинообразовании для

различных значений скорости деформации при низких

температурах для разных асфальтобетонных смесей.

Сравнение результатов испытаний, представленных в

работах Kawashima et at (199715) и Wang (20087).


Деформации при изгибе, возникающие при растрескивании, и значения скорости деформации 0.3%/мин (5х10-5 1/сек) и 0.12 %/мин (2х10-5 1/сек) для различных асфальтовых смесей при низкой температуре сравниваются с результатами, полученными Kawashima и др. (199715), показанными сплошными линиями. На Рис.1 видно, что деформации при растрескивании составляют от 1.8 до 3% при температуре 2С для смесей с использованием АН-70, и от 2.5 до 3.7% для смесей с использованием АН-90. Эти значения выше тех, которые приводит Kawashima с соавторами (от 1.7 до 2.1% при 0С) для той же самой скорости деформации, равной 5х10-5 1/сек. Для асфальтовых смесей с использованием SBS деформации при растрескивании (5.7% при 2С) гораздо выше. При скорости деформации, равной 2х10-5 1/сек, и температуре -15С деформации растрескивания для асфальтовых смесей на базе SBS с содержанием битума 7.5% и 8.1% составили соответственно 0.9% и 1.8%, что значительно выше расчетного значения 0.3%, приводимого Kawashima и др.



Рис. 2. Деформации прямого растяжения при трещинообразовании для

различных значений скорости деформации и разных асфальто-

бетонных смесей. Сравнение результатов испытаний, представленных

в работах Nakumara et at (200411) и Wang (20087).


Результаты Nakumara с соавторами (200411) показывают, что при 0С для асфальтобетона В70 и асфальта Superflex-phalt зависимость деформации прямого растяжения при трещинообразовании от скорости деформации в логарифмическом масштабе будет почти линейной (см. Рис.2). На этом рисунке также показаны результаты испытаний, проведенных Wang (20087). При скорости деформации, равной 3.5х10-5 1/сек, значения деформации растяжения при трещинообразовании при 2С согласуются с зависимостью, приведенной у Nakumara и др., тогда как для битума на базе SBS значения деформации при растрескивании намного выше. Однако деформации при растрескивании для специального материала Superflex-phalt еще значительно выше, поскольку этот материал был разработан именно для того, чтобы выдерживать большие напряжения растяжения, возникающие в асфальтобетонных облицовках.

При заданной температуре деформация прямого растяжения, приводящая к трещинообразованию, уменьшается примерно в пять раз при увеличении скорости деформации на два порядка, с 10-4 1/сек до10-2 1/сек (Terada et al, 199716); Kawashima et al, 199715). В случае землетрясения скорость деформации обычно имеет значения порядка 10-3 1/сек. Деформация трещинообразования от изгиба при 5С может составлять 4% при скорости деформации 10-4 1/сек и 1% при скорости деформации 10-3 1/сек. При -5С соответствующие деформации трещинообразования равны 1% и 0.2%, т.е. меньше примерно в 5 раз (Kawashima et al, 199715).

Окружающие условия асфальтобетона центрального ядра диафрагмы очень благоприятны по сравнению с окружающими условиями облицовки верхнего бьефа. Температура внутри диафрагмы будет выше температуры замерзания, за исключением лишь верхней части диафрагмы в очень холодных регионах, если там не будет обеспечена специальная изоляция.

Результаты экспериментов доказывают, что величина деформации при растяжении, которую может выдержать асфальтобетон до того, как произойдет его растрескивание, значительно выше (на порядок), чем соответствующий показатель для ядра из уплотненного грунта (Leonards and Narain, 196339). Можно еще повысить значение приводящей к трещинообразованию деформации, если применять более богатые асфальтобетонные смеси, более мягкие сорта битума, или вводить добавки (модификаторы), улучшающие пластичность асфальтобетона (например, Bahia, 200617).


    1. Влияние качества заполнителей, применяемых для асфальтовой смеси


В целом, заполнители для асфальтобетона следует изготавливать из крепкой породы со стабильными свойствами. Заполнители должны быть чистыми и иметь подходящую форму зерна (с низким показателем слоистости), текстуру поверхности и гранулометрический состав. Для обеспечения хорошей адгезии (сцепления) заполнителя с битумом в дорожном покрытии обычно нужно применять заполнители из щелочных пород, например из известняка.

Имеется очень мало данных об изучении применимости различных типов заполнителей для плотного гидротехнического асфальтобетона с пористостью менее 3%. Было доказано, что различия в прочности заполнителя почти не влияют на свойства, характеризующие трехосную зависимость прочности от деформации (Hoeg, 19933). Для многих проектов возведения плотин в отдаленных районах на месте строительства не имеется щелочных пород, а есть только кислые породы, например, гранитные, которые подвержены расслоению. В таком случае существует два возможных варианта действий: либо пойти на длительную транспортировку для получения более подходящего заполнителя, либо применять препятствующие расслаиванию добавки для улучшения сцепления заполнителя с битумом.

В связи с этим была выполнена обширная программа лабораторных испытаний с целью изучения сцепления заполнителя с битумом и его влияния на характеристики асфальтобетона в напряженно-деформированном состоянии (Wang, 20087 и Wang et al, 200918). Авторами сделан следующий вывод: для случая плотного гидротехнического асфальта с пористостью менее 3%, в котором зерна заполнителя покрыты достаточно толстой пленкой битума, проницаемость этого асфальтобетона очень низка; поэтому погружение в воду и циклы замораживания и оттаивания не оказывают никакого влияния на его прочность при сжатии, растяжении и изгибе, даже если были использованы заполнители, склонные к расслоению. Следовательно, для гидротехнического асфальта можно применять кислотные заполнители без необходимости заменять их привозными щелочными заполнителями, либо принимать меры по улучшению адгезии, например, амин или гашеную известь. Следует отметить, что дорожное покрытие автомагистралей и летных полей аэродромов должны иметь высокую устойчивость к атмосферным воздействиям (выветриванию и эрозии) и к абразивному действию автомобильных шин с образованием колеи, тогда как окружающие условия внутреннего ядра асфальтовой противофильтрационной диафрагмы почти идеальны в отношении выветривания и истирания.


    1. Самоуплотнение и самозалечивание асфальтобетонных диафрагм


Если трещины все же возникают, например, из-за экстремальной нагрузки при землетрясении, асфальтобетон обладает способностью к самоуплотнению и самозалечиванию благодаря его вязкостным свойствам. Автор Wang (см. работу Wang, 20087) изучил самозатягивание трещин и восстановление прочности на растяжение на примере нескольких асфальтобетонных смесей различного состава, которые подвергались испытаниям при разных температурах и уровнях напряжения. Предварительно в образцах призматической формы размером 70х70х100 мм3 были преднамеренно получены трещины методом расщепления при температуре -5С. Затем треснутые образцы были помещены в форму для проведения испытаний (опалубку), как показано на Рис.3, и к ним было приложено вертикальное механическое напряжение. Разница давлений между сторонами образцов, соответствовавшими верхнему и нижнему бьефу, поддерживалась на уровне 1 МПа, и измерялся объем воды, протекающей через трещину.

Самоуплотнение трещин оценивалось путем измерения зависимости объема утечки воды через эту трещину от уровня напряжения, температуры и времени. В качестве примера на Рис.4 приведена зависимость фильтрации от времени при трех значениях вертикального напряжения для асфальтовой диафрагмы плотины Yele при температуре 7С (см. Раздел 3.2). На рисунке видно, что при всех уровнях напряжения самозалечивание трещины происходит довольно быстро. В течение всего пяти часов скорость утечки уменьшилась на два порядка, и в последующие 10 часов продолжала снижаться.

Восстановление предела прочности при растяжении лабораторных образцов плотины Yele исследовалось в ходе испытаний на определение прочности бетона на раскалывание, которые были проведены после того, как эти треснувшие образцы самоуплотнились под воздействием вертикальной нагрузки 1МПа, прикладывавшейся в течение 24 часов при температуре 7С.

Также в испытаниях на раскалывание определялся предел прочности на растяжение неповрежденных (без специально полученных трещин) образцов. Среднее значение восстановленного предела прочности для трех групп из трех образцов составило 55%. Аналогичные результаты представлены в работе Kolo-Veidekke (200219) для битума типа В180.

Благодаря этой уникальной способности асфальтобетона к самозалечиванию и самовыздоравливанию может отпасть необходимость принимать какие-либо исправляющие меры по устранению возможных разрывов




Рис. 3. Оборудование для проведения испытаний на самоуплотнение,

позволяющее моделировать поведение асфальтобетонной диафрагмы.


и трещин, вызванных предельными вибрациями при землетрясении и/или дифференциальными перемещениями (неравномерным поднятием грунта) в насыпных земляных плотинах с асфальтобетонной диафрагмой.


    1. Более быстрое строительство диафрагмы без ухудшения ее качества


При необходимости можно значительно ускорить процесс возведения конструкций с асфальтовой диафрагмой по сравнению с предыдущей методикой (при которой в сутки укладывалось два слоя, дававшие после уплотнения толщину 20 см), без снижения качества уплотненного асфальтобетона в диафрагме. В работе Tschernutter (199720) говорится, что при максимальных темпах строительства асфальтобетонной диафрагмы каменно-набросной плотины Feistritzbach ежесуточно укладывалось по 3 слоя (60 см в уплотненном состоянии). Пористость всех образцов, вырезанных из диафрагмы, оказалась менее 2.5%, что удовлетворяет общепринятому требованию к проектированию диафрагм, по которому пористость должна составлять не более 3%.

Для исследования влияния толщины слоя и количества уложенных за сутки слоев на итоговое качество диафрагмы Saxegaard (200221) построил полномасштабную модель отрезка диафрагмы плотины длиной 15 м, используя асфальтобетонную смесь с содержанием битума 6,7% (тип В180). В одном случае он укладывал за день по четыре слоя, уплотненных до толщины 20 см каждый (т.е. 80 см за сутки). В другом случае он укладывал в день по три слоя, уплотненных до 30 см каждый, т.е. 90 см ежесуточно. В обоих случаях по результатам испытаний образцов, вырезанных из уплотненной диафрагмы, значения пористости оказались ниже 3%.

В Китае плотина Zhaobishan с гравийной засыпкой высотой 71 метров с 64-метровой асфальтовой диафрагмой расположена в узком ущелье. В связи с угрозой наводнения и перелива в процессе строительства плотины асфальтовую диафрагму нужно было возвести довольно быстро. В течение критического периода (первые 67 дней) скорость строительства составляла 70 см/сутки на протяжении 25 дней и 90 см/сутки на протяжении 7 дней. Пористость образцов, вырезанных из диафрагмы, была менее 3%.

Результаты недавно проведенной систематической серии полевых испытаний, направленных на изучение влияния толщины слоя и количества уложенных за сутки слоев, представлены в работе Alicescu et at (20088) по данным из практики строительства плотины Nemiscau-1 в Канаде. Авторами сделан вывод, что можно ежесуточно укладывать четыре слоя толщиной после уплотнения 22,5 см, обеспечивая при этом высокое качество материала диафрагмы с пористостью значительно ниже указанных 3 процентов.

На плотине Foz do Chapecо в Бразилии строительство велось со скоростью укладки по три слоя уплотненной толщиной 25 см в сутки, и возведение диафрагмы всегда опережало укладку насыпного грунта, см. Фото (а).


    1. Влияние метода уплотнения на характеристику зависимости деформаций от напряжений


В процессе проверки качества асфальтобетона следует иметь в виду, что кривые, характеризующие зависимость деформации от напряжения, полученные на образцах, которые уплотнялись в лабораторных и в полевых условиях, могут отличаться друг от друга. Если технические условия основаны на результатах лабораторных испытаний, например, на трехосном компрессионном испытании, может оказаться очень трудно выдержать эти требования в полевых условиях, если только лабораторный процесс уплотнения не будет моделировать процесс уплотнения в условиях строительной площадки.

Такое расхождение в характере зависимости деформации от напряжения для образцов, уплотненных в полевых условиях и в лаборатории, упоминается в работах, освещающих ряд объектов, которые включают в себя насыпные плотины с асфальтовой диафрагмой, например, плотина Finstertal в Австрии (Pircher и Schwab, 198822), плотина the Greater Ceres в Южной Африке (Jones и White, 199923) и плотина Maoрingxi проекта Три Ущелья с Китае (Hu et al, 200124).

Для изучения влияния метода уплотнения на характер зависимости деформаций от напряжений при трехосной компрессии и на прочность асфальтобетона авторы работы Wang и Hoeg (200225; 200926) применяли четыре лабораторных метода уплотнения: трамбование по методу Маршалла, вибрационный метод, статическую компрессию и вращательный метод. Результаты сравнивались с результатами, полученными на образцах асфальтобетона, уплотнявшегося в полевых условиях вибрационным дорожным катком. Образцы уплотненного асфальтобетона для трехосных испытаний имели диаметр 100 мм и высоту 200 мм. Несмотря на то, что все образцы были выполнены из одинаковой смеси и уплотнены до практически одинаковой плотности (с пористостью 1%), полученные кривые зависимости деформации от напряжения оказались очень разными (см. Рис.5).



Рис.4. Зависимость фильтрации от времени при значениях

вертикального напряжения 0,5; 1,0 и 1,5 МПа при 7С для

асфальтобетонной диафрагмы плотины Yele.






Рис.5. Усредненные кривые зависимости между продольной деформацией и разностью

главных напряжений (девиатором напряжений) для пяти методов уплотнения.

Все образцы изготавливались из одинаковой асфальтобетонной смеси и

имели практически одинаковое начальное значение пористости, равное 1%.


Для того, чтобы выяснить причины этих существенных отличий в зависимости между напряжением и деформацией образцов, уплотненных до одинаковой плотности с использованием различных методов, авторами было предпринято исследование. В результате был сделан вывод о том, что главной причиной являлась разница в структуре заполнителя и степени смыкания, получаемой в результате различных способов уплотнения. Пропилы, выполненные в образцах, подтвердили данное объяснение. В основном именно зерна заполнителя продолговатой и пластинчатой формы создают значительные отличия в структуре скелета материала. Автор Monismith (200626) ссылается на ранее опубликованную работу Hveem, который также указывал на то, как важно уплотнять асфальтобетонную смесь в лаборатории таким образом, чтобы полученная структура заполнителя могла в полной мере представлять структуру этой смеси, уплотняемой в условиях стройплощадки.

Ввиду ограниченности обычных методов лабораторного уплотнения автор Wang (20087) разработал новый лабораторный метод и технологию. Предложенная форма для уплотнения и методика позволяют получить в лаборатории образцы, которые характеризуются такой же зависимостью деформации от напряжения, как и уплотненный в полевых условиях асфальтобетон, и могут использоваться для смесей с природными и с дроблеными заполнителями (Wang и Hoeg, 200227).

Выводы заключаются в следующем:



  1. Плотины с асфальтовой диафрагмой не требуют устройства призм из высококачественной каменной наброски


В работе автора Tschernutter (199719) предлагается описание конструкции и строительства каменно-набросной плотины с асфальтовой диафрагмой Feistritzbach высотой 85 метров. Самой главным испытанием в данном проекте стало то, что имеющаяся горная масса из местного карьера оказалась гораздо худшего качества, чем та, которую предполагалось использовать при проектировании. Частично она была существенно эродирована, и сильно крошилась при обработке. Тот факт, что каменная наброска оказалась такого низкого качества, привело к деформациям насыпи, в два раза превышающим первоначальные расчеты. Ширина диафрагмы была 70 см у основания и к верхней части уменьшалась до 50 см. Доля битума марки В70 составляла 6.5% от общего веса. Натурные наблюдения и анализ подтвердили, что асфальтовая диафрагма повторяла все деформации насыпи без растрескивания, и оказалась практически водонепроницаемой.

В работе авторов Hoeg et al (199719) рассматриваются плотины с асфальтовой диафрагмой Storglomvatn и Holmvatn, для обеих из которых, а в особенности для плотины Holmvatn, использовалась каменная наброска значительно более низкого качества, чем для предшествующих плотин этого типа, построенных в Норвегии. Высота плотины Storglomvatn составляет 125 м, а высота седловидной плотины Holmvatn 56 м. Уклон верхового откоса двух этих плотин на скальных основаниях 1V:1,5H, а уклон низового откоса между бермами 1V:1,4H. В карьере вблизи плотины Holmvatn велись разработки мета-песчаника с весьма значительными включениями прослоек слюдяного сланца/глинистого сланца. В процессе разработок сланец из этого карьера оказался еще худшего качества, чем предполагалось при проектировании, и от нескольких грузовиков материала, привезенных на строительство плотины, пришлось отказаться. После уплотнения вибрационными катками каменная наброска на поверхности была иногда настолько измельчена до пылеватого состояния, что верхний слой приходилось снимать перед тем, как укладывать следующий слой. Чтобы уменьшить такое измельчение, первоначально оговоренный 15-тонный каток был заменен на более легкий каток весом 11,7 тонн. Несмотря на то, что каменная наброска была хуже той, которая принималась при разработке проекта, все же было решено продолжить строительство с использованием того же расположенного неподалеку карьера. При этом допускалось, что в ходе строительных работ и после их завершения деформации будут значительно более сильными, чем для ранее возведенных в Норвегии плотин с асфальтобетонной диафрагмой. Ширина асфальтовой диафрагмы плотины Storglomvatn составляет 90 см у основания и уменьшается до 50 см, и верхние 51 м имеют постоянную ширину 50 см, см. Фото (б). Асфальтовая диафрагма плотины Holmvatn имеет постоянную ширину 50см. Ожидалось, что строительные и пост-строительные деформации в этих двух плотинах, расположенных в районе сейсмической активности, будут выше, чем в ранее построенных в Норвегии плотинах с асфальтовой диафрагмой. Поэтому проектировщики заложили в проект асфальтобетонную смесь с более мягкой маркой битума (В 180) и большим содержанием битума (6,7% от общего веса), чем для прежних плотин.

Вот уже в течение 13 лет, начиная с момента завершения строительных работ в 1997 году, ведется постоянное наблюдение за поведением двух этих плотин (Hoeg et al, 20076) и проводится ретроспективный анализ деформаций плотины и состояния асфальтовой диафрагмы (Wang (20087). На основании полученных данных сделан вывод о том, что диафрагма ведет себя вполне удовлетворительно, несмотря на значительные деформации насыпи.




Фото (b). Строительство каменно-набросной плотины с асфальтовой

диафрагмой Storglomvatn близится к завершению в 1997 г.




  1. Плотины с асфальтовой диафрагмой можно возводить на основаниях из сжимаемых грунтов




    1. Плотина Эберластэ (Австрия)


Плотина Eberlaste в Австрии представляет собой случай, когда насыпная дамба с асфальтовой диафрагмой была построена на глубокой толще отложений из сжимаемых и неоднородных аллювиальных грунтов (Rienoessl, 197328). Высота этой плотины 28 м, длина по гребню 480 м. Строительство велось с 1966 по 1968 год. Скальное основание имеет тонкий защитный слой на склонах примыканий, но к центру впадины оно имеет крутой уклон в 60. Бурением скважины на глубину 125 м посередине долины скальное основание не обнаруживалось. Этот очень глубокий канал заполнен гравием и песком из речных наносов. По сторонам аллювиальные грунты долины сопряжены с природным галечником или гравием, а около склонов преобладает смесь материала с высокой проницаемостью с валунами. Посредине долины над аллювиальными отложениями залегает слой ила и песка в среднем около 20 м толщиной. По боковым сторонам около склонов такой слой отсутствует. Такие геологические условия давали основания полагать, что осадки и относительные осадки будут представлять собой одну из основных трудностей при проектировании плотины. По предварительным оценкам предполагалось, что ожидаемая осадка составит около 1 метра, но по результатам последующих измерений оказалось, что значения осадки более чем в два раза превысили эту предполагаемую величину. Замыкающая стенка, установленная под вертикальной асфальтовой диафрагмой, имеет 22 м в глубину в середине поймы и углубляется до глубины 52 м в проницаемых конусах с вкраплениями валунов, которые преобладают у подошвы откосов. Асфальтобетон диафрагмы состоит из заполнителя размером 0-25 мм с 8%-ной добавкой известняка в качестве фильтра. Применяется битум марки В300 в количестве 7% от общего веса.

В ходе строительства основание плотины дало осадку около 2,2 м по центру поймы. В течение двух лет после окончания строительства замеры показали вторичную осадку на 20 см. Используя в качестве исходных данных кривую зарегистрированной осадки по поперечному сечению поймы, автор Hoeg (199529) выполнил анализ методом конечных элементом, чтобы задним числом рассчитать напряжения и деформации, которым должна была подвергаться диафрагма.

За 40 с лишним лет, прошедших с момента создания плотины Eberlaste, не было зарегистрировано никакой заметной утечки через диафрагму. Это, по-видимому, должно означать, что диафрагма смогла выдержать большие относительные осадки, напряжения растяжения и деформации сдвига без растрескивания и без заметного увеличения проницаемости. Проектировщики, предвидя большие относительные осадки и связанные со сдвигом деформации, предусмотрительно оговорили в технических условиях использование особо мягкого битума (марки В300) и довольно высокое процентное содержание битума.


    1. Плотина Иеле (Китай) на сложном основании в районе с высокой сейсмичностью


В работах Wang, 20087 и Wang et al, 200930 представлен анализ рассматриваемой проблемы на конкретном примере построенной в Китае плотины Иеле с асфальтовой диафрагмой. Максимальная высота плотины 125 м, длина по гребню 411 м, с 300-метровым удлинением над правым берегом. Плотина возведена на исключительно сложном основании, в районе с высокой сейсмичностью. Кварцевая диоритовая скальная порода залегает под слоем аллювиального вскрышного грунта толщиной от 35 до 60 м по левом берегу, от 55 до 160 м на речном русле, и свыше 220 м по правому берегу (см. Рис.6). Высотная отметка гребня равна 2654,5 м, причем плотина расположена в районе с очень холодным и дождливым климатом.

Учитывая такие сложные с точки зрения геологического основания условия с наличием неоднородного сжимаемого слоя вскрышного грунта, а также высокую сейсмичность данной области, можно было планировать только вариант насыпной плотины. Рассматривалось три возможных конструкции непроницаемой диафрагмы в каменно-набросной плотине:






Рис.6. Геологический разрез основания плотины Иеле, где

1 = гравий с тонкими прослоями песка

2 = каменистые, слабо связные грунты

3 = слои гравия, перемежающиеся со слоями суглинков

4 = гравий

5 = суглинки, супесь с растительными остатками

6 = скальная порода из кварцевого диорита

7 = расщелина/линия стыка



Чтобы сделать выбор в пользу одного из перечисленных вариантов, особое внимание уделялось их стоимости, суровым погодным условиям во время строительства, сейсмоустойчивости, и пригодности к использованию в таких геологических условиях, которые могут привести к значительным неравномерным осадкам на разных участках поймы. После рассмотрения всех этих аспектов было решено, что наиболее подходящим вариантом является асфальтовая диафрагма.

Ввиду высокой сейсмичности в районе створа каменно-набросная плотина была спроектирована с относительно отлогими откосами, имеющими уклон 1V:2H в верхнем бьефе и 1V:2,2H в нижнем бьефе, и с широким 14-метровым гребнем (см. Рис.7). Кроме того, в верхних 30 м плотины и в низовой части верхнего бьефа было выполнено горизонтальное армирование гео-решетками.

На Рис.8 показана сложная система непроницаемых мембран, установленных в основании с целью уменьшения и ограничения нижней фильтрации. Подробнее об этом можно прочитать в работах Hao and He (200831) и Wang et al (200930).




Рис. 7. Поперечное сечение плотины Иеле, где:

1 = асфальтовая диафрагма

2 = переходная зона

3 = каменная наброска (I)

4 = особая хорошо уплотненная каменная наброска (II)

5 = природный гравий или каменная наброска (III)

6 = берма подошвы (22 м шириной и 215 м длиной)

7 = смотровая галерея для измерительной аппаратуры

8 = бетонная замыкающая стенка (зуб плотины)


На плотине Иеле осуществлялась активная программа мониторинга, и зарегистрированные данные анализировались и сравнивались с результатами, полученными на других высоких каменно-набросных плотинах с асфальтовой диафрагмой. На основании сделанных в условиях стройплощадки измерений, ретроспективного анализа и испытаний по определению свойств асфальтобетона в работе Wang et al (200930) авторы сделали вывод о том, что асфальтовая диафрагма плотины Иеле показала себя очень хорошо.



Рис. 8. Водонепроницаемые завесы в основании плотины Иеле, где:

1 = гребень

2 = асфальтовая диафрагма

3 = поверхность земли

4 = контур выемки

5 = бетонная замыкающая стенка (зуб плотины)

6 = цементационная завеса

7 = технологическая галерея для строительства цементационной завесы и

бетонной замыкающей стенки

8 = стенка бетонной диафрагмы


Произошедшее в мае 2008 года очень сильное Венчуаньское землетрясение, эпицентр которого находился на расстоянии 258 км от плотины, привело к дополнительной осадке гребня всего на 15 мм, и не оказало существенного влияния на плотину. Нет никаких сведений об утечке через диафрагму. Однако, как и предполагалось для этого очень сложного с геологической точки зрения места, имеется некоторая фильтрация под плотиной, несмотря на активное применение глубоких противофильтрационных стенок и цементационных завес. В ноябре 2008 года, когда водохранилище имело нормальный подпорный уровень (с отм. 2650 м), утечка составила 277 л/с. На плотине ведутся постоянные наблюдения с целью изучения и предупреждения дальнейшего развития этой глубинной фильтрации ao and He, 200831).




Фото (с). Строительство плотины Иеле. Она была завершена в 2005 г.




  1. Сравнительные достоинства различных вариантов конструкций насыпных плотин


Ниже рассматриваются относительные достоинства четырех вариантов конструкций насыпных плотин, а именно:


При выборе предпочтительного варианта конструкции для того или иного конкретного створа учитывается не только предполагаемая стоимость строительства, но и другие важные факторы, а именно: вопросы безопасности, климатические условия, длительность полного строительного цикла (до заполнения водохранилища), необходимость наличия специальных знаний и навыков (опыт подрядчика), потенциальная опасность перелива плотины в ходе строительства, эксплуатационные расходы, а также вопросы охраны окружающей среды в связи с конкретным типом плотины и соответствующими строительными работами.

Зачастую конструкция плотины определяется условиями грунтового основания. Безопасность и функционирование плотины нераздельно связаны с характеристиками ее основания.


    1. Грунтовое ядро


Когда подходящий для грунтового ядра материал имеется на разумном для транспортировки расстоянии, другие варианты конструкции в большинстве случаев не могут конкурировать с конструкцией плотины с грунтовым ядром с точки зрения экономии. Такая конструкция также может оказаться наиболее удачным вариантом, если основание состоит из очень сжимаемых грунтов. Насыпь с широким грунтовым ядром и широкими фильтрами является очень хорошим выбором для обеспечения высокой сейсмической устойчивости плотины, особенно в тех случаях, когда в основании плотины могут иметь место опасные смещения.

Однако, если имеющийся материал для создания грунтового ядра отличается высоким содержанием глины, а плотина будет строиться в районе с большим количеством осадков в течение длительного (или непредсказуемого) периода, тогда график строительства становится неопределенным, а контроль качества ядра затрудняется из-за ненастной погоды. Качество материала для грунтового ядра можно изменять путем той или иной обработки (например, смешивая с другими материалами и/или подвергая сушке), чтобы сделать его более пригодным для использования, но тогда возрастают издержки.

В последние годы озабоченность по поводу внутренней эрозии привела к ужесточению критериев конструкции и строительства фильтров, и теперь требуется больший объем обработки материала фильтров. Это приводит к росту затрат.

В последние годы из-за озабоченности по поводу внутренней эрозии были ужесточены критерии, обуславливающие процесс проектирования и строительства фильтров, и теперь требуется больший объем обработки материала фильтров. Это приводит к росту затрат. Автор Milligan (200332) в своей лекции по Terzaghi уделяет внимание некоторым неопределенным моментам, связанным с проектированием и возведением насыпных земляных плотин. Он подчеркивает, как важно, чтобы в условиях строительной площадки материал диафрагмы был надлежащим образом уложен и уплотнен, а материалы фильтра имели широкий диапазон гранулометрического состава для предотвращения расслаивания и для обеспечения целостности плотины. Если диафрагма будет возводиться на основании из трещиноватой горной породы, то непременно нужно обработать скальную поверхность цементом или бетоном и устроить защитные фильтры во избежание суффозии материала ядра в открытые трещины. Очень часто этот аспект упускали из вида, даже в недавних проектах плотин.

В случае возможного возникновения паводков в период строительства конструкция плотины с грунтовым ядром будет в большей степени уязвима и подвержена разрушениям в результате перелива, чем, например, плотина с бетонным экраном или асфальтовой диафрагмой. Проблема карьеров с крутыми откосами, возникающих в местах выемок материала для создания грунтового ядра, сейчас вызывает больше беспокойства, чем несколько лет назад, и в некоторых случаях может явиться важным фактором в процессе принятия решений.


    1. Железобетонный экран в сравнении с асфальтовой диафрагмой


Имеющийся прошлый опыт эксплуатации показал, что нужно быть готовым к утечкам через раскрывшиеся швы и трещины растяжения в экране из армированного бетона, в особенности вблизи периферийного (периметрального) шва и на примыканиях. Тем не менее, в правильно спроектированных каменно-набросных плотинах с бетонным экраном (CFRD), где крупность материала каменной наброски постепенно увеличивается от верхнего бьефа к нижнему, даже заметная утечка не приводит к нарушению общей устойчивости, если нижний бьеф плотины имеет достаточный дренаж, позволяющий надежно справляться с объемом этой утечки. В большинстве таких случаев удавалось значительно уменьшить утечку через экран путем отсыпки пылеватого грунта и мелкого песка (барьерных материалов) в водохранилище выше места утечки. Если трещины не слишком большие, пылеватый грунт/песок перемещается в эту трещину и делает ее гораздо менее проницаемой, особенно если область песчано-гравийного грунта под бетонным экраном выполняет функцию неагломерирующегося фильтра и задерживает дальнейшую миграцию барьерных материалов.

Однако в недавней эксплуатационной практике обнаруживалось развитие очень больших компрессионных и сдвиговых трещин в некоторых высоких каменно-набросных плотинах с бетонным экраном, расположенных в узких впадинах (Pinto, 200633; Johannesson, 200734, 35; Sabrinho et al, 200736). Для того, чтобы понять причины такого неожиданного поведения экрана, был проведен анализ этих случаев. Оказалось, что это связано с вертикальной осадкой и поперечными смещениями каменной наброски по направлению к центру узкой впадины, в результате чего возникают вертикальные и горизонтальные напряжения, действующие на экран (например, Pinto, 200937). Для предупреждения такого растрескивания необходимо использовать каменную наброску высокого качества и хорошо ее уплотнять. Особое внимание нужно уделить конструкции экрана и швов, с устройством сжимаемых швов между центральными плитами экрана для предотвращения возможности разрушения бетона. Более того, желательно не укладывать бетонный экран до того момента, пока в каменной наброске не закончится пост-строительные деформация ползучести.

Асфальтовая диафрагма демонстрирует упруго-эластичные пластичные характеристики, и поэтому обладает способностью разгружать концентрации напряжений и самостоятельно залечивать места, где начинает формироваться щель или трещина. Нет никаких данных о протечках через асфальтовый экран, и можно считать, что он не требует эксплуатационного ухода. Кроме того, по сравнению с наклонным бетонным экраном асфальтовая диафрагма способна лучше выдерживать осадки основания и деформации насыпи, вызванные статическими нагрузками и сейсмическими нагрузками. Поэтому здесь можно пойти на использование уплотненной земляной отсыпки или каменной наброски более низкого качества, чем для каменно-набросных плотин с бетонным экраном (см. раздел 2). Асфальтовая диафрагма защищена от ударных нагрузок и повреждений попадающим в водохранилище мусором, от ухудшения свойств из-за эрозии, от разрушения в результате диверсий или террористических актов.

При создании бетонного экрана необходимо, чтобы опытный подрядчик строил его правильно, обращая внимание на такие строительные детали, как противофильтрационные шпонки, арматура, швы между плитами и важнейший шов вдоль периметра внизу. Возведение асфальтовой диафрагмы и одновременное устройство переходных зон с обеих сторон представляет собой значительно более простую и в большей степени поддающуюся контролю операцию, чем строительство бетонного экрана. К тому же, строительные рабочие на крутом откосе (обычно с уклоном 1,3Н:1V) верхнего бьефа каменно-набросной плотины с бетонным экраном (CFRD) подвергаются гораздо большей производственной опасности, чем рабочие, занятые на строительстве асфальтовой диафрагмы.

Нижний пояс (цоколь) асфальтовой диафрагмы короче, чем в случае плотины CFRD, и гораздо проще по конструкции и по технологии строительства. Ширина этого цоколя, необходимая для того, чтобы снизить гидравлический градиент до безопасного уровня, определяется так же, как и для плотин CFRD. Цементационная завеса под нижним поясом для плотин с асфальтовой диафрагмой короче, чем для плотин CFRD. С другой стороны, существенным преимуществом конструкции CFRD является то, что строительство нижнего пояса и цементирование под ним можно выполнять почти независимо от строительства других зон насыпи. Строительство асфальтовой диафрагмы и примыкающих переходных зон не может начаться до тех пор, пока не будет завершено строительство нижнего пояса и цементирование под самой глубокой частью плотины. Однако при наличии галереи цементирование может выполняться независимо от хода работ по возведению насыпи.

Бетонный экран каменно-набросной плотины обеспечивает защиту откоса от воздействия волн, тогда как для плотины с диафрагмой требуется защита каменной наброски. Далее, преимуществом плотин с бетонным экраном является то, что каменная наброска под этим экраном находится в сухом (или лишь частично водонасыщенном) состоянии в условиях статической нагрузки или нагрузки от землетрясения, и поэтому они могут иметь более крутой верховой откос по сравнению с плотиной с диафрагмой. Плотина с асфальтовой диафрагмой может иметь более крутой откос, чем плотина с широким или покатым земляным ядром. Однако в случае, если насыпь будет выполняться на основании из слабых грунтов, для всех трех вариантов конструкции крутизна внешних откосов плотины будет определяться прочностью и устойчивостью основания.

Как правило, на плотинах с диафрагмой гребневая часть существенно более прочная и надежная, чем на плотинах с бетонным экраном, где из соображений экономии ее надежность определяется наличием крутых откосов плотины и бетонной парапетной стенки, которые могут быть уязвимы, например, при землетрясениях или диверсиях.

Конструкция с асфальтовой диафрагмой позволяет заполнять водохранилище в процессе строительства, так что к моменту завершения насыпи водохранилище может быть уже заполнено. Плотины типа CFRD не могут обеспечить аккумулирование воды в процессе строительства, если только экран не будет выполняться посекционно (и только после того, как будет завершено строительство насыпи). На некоторых из недавних плотин типа CFRD строительство велось посекционно (поэтапно) для того, чтобы сократить сроки строительства. Это требует особого внимания в отношении деформаций каменной наброски и их влияния на экран и швы, поскольку некоторые участки экрана уже уложены по месту, тогда как насыпь из горной массы поднимается над этим уровнем и находится вплотную к уже построенным бетонным плитам. Столкнувшись со случаями серьезного растрескивания плиты экрана на каменно-набросных плотинах с бетонным экраном в узких поймах (например, Pinto, 200937), некоторые предпочитают вернуться к практике создания экрана после того, как будет завершена отсыпка насыпи. Но это увеличит общий срок строительства.


    1. Геомембранный экран


Гибкая геомембрана, используемая в качестве экрана напорной стороны плотины, обладает большинством тех же преимуществ, что и бетонный экран, но лишена некоторых недостатков благодаря гибкости мембраны и ее способности выдерживать деформации каменной наброски в процессе и после строительства и нагрузки при землетрясениях. Такую мембрану можно, например, укладывать непосредственно на бортовые камни из экструдированного бетона, как делается на современных плотинах типа CFRD; этот метод строительства весьма прост, но должен выполняться специализированным подрядчиком.

Качество, вязкостные и прочностные свойства геомембран постоянно улучшаются, совершенствуются также и методы их установки. Все же у профессионалов пока еще остается некоторая озабоченность по поводу уровня защищенности геомембран от ударов, ледовых нагрузок (разрывов), террористических актов, а также старения и эрозии. Чтобы уменьшить некоторые из этих опасений, мембрана может быть полностью или частично покрыта защитным слоем, но если принимается такое решение, то издержки увеличиваются, а относительная конкурентоспособность снижается. Сейчас есть очень много документально подтвержденных случаев, когда верховую геомембрану (из гео-композита) укладывали без всякой защиты. Существуют также конструкции, где мембрана используется в качестве внутреннего «ядра», заменяя общепринятое центральное или наклонное грунтовое ядро (Scuero and Vaschetti, 200938). Без сомнения, в будущих проектах плотин геомембраны придут на смену жестким железобетонным экранам.


  1. Выводы и заключение


Сейчас отрасль насчитывает более 50 лет успешного опыта эксплуатации насыпных плотин с асфальтовой диафрагмой. Ни на одной из построенных плотин не было зафиксировано утечек через асфальтовую диафрагму.

До настоящего времени большинство плотин с асфальтовой диафрагмой возводилось в Европе и европейскими подрядчиками, но в Китае также было построено и строится сейчас несколько таких плотин, в том числе плотина Quxue высотой 170 метров, которая на данный момент будет самой высокой плотиной этого типа. Первые плотины недавно были построены в Испании, Саудовской Аравии и Иране. В Канаде только что завершено строительство плотины с асфальтовой диафрагмой, первой из таких плотин в Северной Америке, и компания Hydro Quebec приняла решение о строительстве еще шести насыпных плотин этого типа в провинции Квебек (у гидроузла La Romaine). Бразилия сейчас завершает строительство своей первой плотины с асфальтовой диафрагмой (Foz do Chapeco), и обсуждается вопрос об использовании таких плотин в районе Амазонки. Ввиду все возрастающего интереса к плотинам этого типа, а также в связи с новыми данными научных исследований и практического опыта ICOLD решила обновить свое сводное информационное сообщение по данному вопросу.

Результаты последних научных исследований и практического опыта на местах подтвердили, что:


Исследования на конкретных объектах доказывают, что плотины с асфальтовой диафрагмой можно с успехом возводить с использованием каменной наброски значительно более низкого качества, чем это практиковалось ранее при строительстве плотин такого типа. Плотины с асфальтовой диафрагмой были также построены с использованием других материалов там, где нет доступной каменной наброски.
Большинство существующих плотин с асфальтовой диафрагмой покоятся на каменных фундаментах, но также есть документально подтвержденные случаи, когда они были построены на глубоких сжимаемых аллювиальных отложениях.
Сравнительный анализ некоторых последних проектов показал, что плотины с асфальтовой диафрагмой представляют собой весьма конкуренто-способную альтернативу в отношении как безопасности, так и экономичности. В настоящее время проектируется и строится больше плотин этого типа, чем когда-либо ранее.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации