4.3. Греблі гідровузлів

Греблі входять до складу споруд напірного фронту руслових, пригребельних і дериваційних ГЕС.

Бетонна гребля Гувер на р. Колорадо (США)  

Гребля Гувер висотою 222,5 м – одне з найбільших технічних досягнень першої половини ХХ ст. Вона була введена в експлуатацію в 1936 році.

Мал. 4.36. Водозливна гребля Каховської ГЕС на мілкопіщаній основі. Поперечний розріз: 1 – водозливна гребля; 2 – анкерний понур; 3 – металевий шпунт; 4 – водобій; 5 – рисберма; 6 – зуб ніздрюватої конструкції з металевого шпунта

Греблі зводяться на м'яких і скельних основах у різноманітних природних умовах і поділяються, виходячи з використовуваного матеріалу, на наступні типи:

• бетонні – гравітаційні, контрфорсні, арочні й арочно-гравітаційні;

• із ґрунтових матеріалів – однорідні земляні (з піску, суглинку, глини й ін.), неоднорідні земляні й з великоуламкових ґрунтів з водонепроникним ядром або екраном із глини, суглинку, а також з діафрагмою або екраном із залізобетону, асфальтобетону й ін.;

• комбіновані – ніздрюваті (з ніздрюватим залізобетонним каркасом, заповненим ґрунтом), з нижньою частиною греблі із ґрунтових матеріалів, а верхньою бетонною та ін.

З них широке поширення одержали греблі бетонні й з ґрунтових матеріалів.

Мал. 4.37. Типи гравітаційних бетонних гребель: а – масивна; б – з розширеними швами; в – з порожнинами в основі; г – з порожнинами, заповненими баластом; д – заанкерена в основуБетонні греблі виконуються водоскидними з поверхневими й глибинними отворами, що забезпечують скидання паводкових витрат, станційними із влаштуванням у них водоприймачів, напірних трубопроводів ГЕС, глухими.

Бетонні греблі на м'яких і скельних основах (крім арочних і арочно-гравітаційних, а також просторово працюючих з омоноліченими швами гравітаційних гребель) діляться деформаційними (температурноосадовими й температурними) швами на окремі секції.

Висота гребель на м'якій основі досягає 50 м, на скельній основі – 300 м і більше. Так, висота найвищих побудованих гребель становить: бетонної гравітаційної масивної греблі Гранд Диксанс (Швейцарія) – 284 м, арочної Інгурської (Грузія) – 271,5 м, а споруджуваної арочної Xiaowan (Китай) – 292 м. Значне збільшення висоти гребель обумовлене широким будівництвом великих ГЕС у гірських і передгірних районах з можливістю створення великих регулюючих водоймищ, значним накопиченим досвідом будівництва гребель, у тому числі в складних природних умовах, включаючи інженерно-геологічні, високу сейсмічність, суворий клімат, удосконаленням конструктивних рішень і технологій будівництва.

Бетонні греблі на м'яких основах входять до складу напірного фронту руслових ГЕС і виконуються звичайно водоскидними, в основному водозливними й рідко із глибинними водоскидами. При цьому питомі витрати (на 1 пог. м) у нижньому б'єфі при скиданні паводкових витрат можуть досягати 100 м3/с. Для гасіння енергії потоку, що скидається, за греблею виконують кріплення, що включають водобій, часто з гасителями, горизонтальну або похилу рисберму й кінцеву ділянку кріплення у вигляді вертикальної стінки, ковша, заповненого гірською масою, та ін. (див. мал. 4.2, 4.36). З боку верхнього б'єфа для зменшення фільтраційного тиску в основі, фільтраційної витрати влаштовується слабководопроникний понур із глинистих ґрунтів, а під греблею протифільтраційна завіса (у вигляді шпунта, зуба) і дренаж. У ряді випадків використовується анкерний понур із залізобетону, що приймає участь в опорі греблі зрушенню (мал. 4.36).

а

б

Мал. 4.38. Братська ГЕС: а – поперечний розріз водозливної греблі; б – загальний вид з нижнього б'єфу при пропуску повені; 1 – порожнина розширеного міжсекційного шва; 2 – оглядові галереї; 3 – цементаційна завіса; 4 – дренажні шпари

На Волзькій ГЕС, в основі якої залягають піски, максимальний напір на бетонній греблі становить 27 м, скидна паводкова витрата через греблю – 30,8 тис. м3/с, а питома витрата – 44 м3/с, на Київській ГЕС відповідно – 14,8 тис. м3/с і 90 м3/с.

Бетонні греблі на скельних основах утворюють напірний фронт при гребельних, гребельно-дериваційних ГЭС. В основі та берегових примиканнях таких гребель звичайно влаштовують цементаційну та дренажну завіси.

Гравітаційні греблі характеризуються тим, що стійкість проти зрушення під дією тиску води та інших навантажень забезпечується переважно опором, що розвивається на контакті з основою. При цьому головну роль в опорі греблі зсуву грає маса греблі.

На греблю, крім власної ваги й тиску води (статичного й динамічного з верхнього б'єфу на напірну грань і з нижнього б'єфу, зважуючого та фільтраційного на підошву), діють тиск наносів, що відклалися у водосховище, сейсмічні й температурні фактори, пов'язані з тепловиділенням (екзотермією) бетону при зведенні й коливаннями температури навколишнього середовища та ін.

Мал. 4.39. Станційна гребля Зейської ГЕС. Поперечний розріз: 1 – ущільнення міжсекційного шва; 2 – дренаж тіла греблі; 3 – цементаційна завіса; 4 – дренажні шпари; 5 – турбінний трубопровід

а

б

Мал. 4.40. Зейська ГЕС: а – вид з верхнього б'єфа; б – загальний вид з нижнього б'єфа; 1 і 2 – лівобережна та правобережна глухі греблі; 3 – станційна гребля; 4 – водоскидна гребля; 5 – водоприймальні отвори будинку ГЕС; 6 – природна поверхня землі; 7 – покрівля охоронної скелі; 8 – границя цементаційної завіси

На скельних основах, крім масивних гравітаційних гребель «класичного» типу, застосовуються гравітаційні греблі полегшених типів, що дозволяють зменшити обсяг бетону (мал. 4.37):

• з розширеними швами, що дозволяє знизити фільтраційний тиск на підошву греблі;

• з поздовжніми порожнинами в тілі греблі в зоні основи, що також забезпечує зменшення фільтраційного тиску;

• із внутрішніми порожнинами, заповненими баластом із ґрунту, або ж з установкою в них устаткування ГЕС;

• заанкерені, з попередньою напругою бетонної кладки анкерами (тяжами), забитими в основу.

З усіх типів гравітаційних гребель найбільше поширення одержали масивні греблі (Гранд Диксанс, Красноярська, «Три ущелини» та ін.).

Гравітаційні греблі в основному виконуються трикутного профілю з вертикальною або слабко похилою у бік верхнього б'єфа верховою гранню, а при високій сейсмічності в багатьох випадках профіль греблі розширюється до основи за рахунок збільшення похилу верхової грані. Низова грань звичайно має похил 0,7–0,85.

Прикладом гравітаційної греблі полегшеного типу з розширеними швами є гребля Братської ГЕС висотою 125 м і загальною довжиною 1420 м, що включає станційну греблю довжиною 440 м, водозливну – 242 м і глуху – 738 м. Розширені шви в межах внутрішньої зони станційної й водозливної гребель мають ширину 7 м (мал. 4.38). Обсяг бетону греблі становить 4,8 млн.м3.

Гравітаційна масивна гребля Токтогульської ГЕС висотою 215 м (див. мал. 4.7) побудована у вузькій ущелині з високою сейсмічністю (більш 10 балів), складається із центральної й берегових секцій і розрізана деформаційними швами, омоноліченими в центральній частині, завдяки чому досягається передача частини навантаження від центральних секцій на берегові секції й борти ущелини. У греблі виконані глибинний і поверхневий водоскиди.

Гравітаційні греблі можуть бетонуватися різними методами: окремими блоками (стовпчаста розрізка), розділеними будівельними швами з наступним їхнім омонолічуванням, довгими секційними блоками, а останнім часом по широко застосовуваній технології укоченого бетону з бетонуванням шарами (товщиною 25–50 см) при ущільненні бетону котками (замість вібрування), як на греблях із ґрунтових матеріалів. Така технологія, що одержала найбільше поширення при будівництві гравітаційних масивних гребель, дозволяє поліпшити умови охолодження бетону, розігрітого (екзотермія) у процесі будування, спростити проведення робіт, скоротити строки й вартість.

Контрфорсні греблі складаються з ряду розташованих на деякій відстані один від одного контрфорсів (стінок) з напірним перекриттям у вигляді плит, арок, консольних потовщень контрфорсів та ін.

Тиск води й інші навантаження, що діють на напірне перекриття, передаються на контрфорcи, які передають їх безпосередньо на основу при міцних скельних ґрунтах або через фундаментну плиту при слабких скельних ґрунтах.

У контрфорсних греблях забезпечується стійкість проти зсуву при обсязі бетону, меншому на 20–50% у порівнянні із гравітаційними греблями, за рахунок зниження фільтраційного тиску на підошву (при наявності порожнин між контрфорсами) і додання напірній грані греблі нахилу, завдяки чому на неї діє вертикальна навантажувальна сила від тиску води.

Однак конструкція контрфорсних гребель значно складніша, ніж конструкція масивних гравітаційних гребель. Прикладом греблі із плоскими перекриттями є гребля Эскаба (Аргентина) висотою 88 м з відстанню між контрфорсами 12 м, побудована у високосейсмічному районі (9 балів).

Найвища контрфорсна багатоарочна гребля Даніель Джонсон (Канада) висотою 215 м (див. с. 257) має центральну арку довжиною 161,5 м і 13 арок довжиною 76,2 м, об’єм бетону становить 2,2 млн. м3.

У масивно-контрфорсній греблі Зейської ГЕС трикутного профілю висотою 110 м, довжиною 709 м з об’ємом бетону 1,9 млн. м3 (мал. 4.39 і 4.40), побудованій в суворих кліматичних умовах, для поліпшення температурного режиму греблі передбачена можливість обігріву внутрішніх порожнин між контрфорсами.

Гребля висотою 196 м однієї з найбільших у світі ГЕС Ітайпу (Бразилія – Парагвай) потужністю 12,6 млн. кВт є масивно-контрфорсною (1982 р.).

Водоскидні гравітаційні й контрфорсні греблі в більшості випадків водозливні з поверхневими водоскидами, часто з відкиданням струменя носком-трампліном (див. мал. 4.38, б) і гасінням більшої частини енергії потоку за рахунок аерації струменя й при необхідності із кріпленням дна для зменшення розмиву або влаштуванням ковша (ями) гасіння на ділянці падіння струменя. У ряді випадків сполучення з нижнім б'єфом виконується шляхом влаштування водобійних колодязів для гасіння енергії потоку. Питомі витрати в нижньому б'єфі при хорошій скельній основі можуть досягати 200 м3/с (на 1 пог. м).

На водоскидних греблях також використовуються глибинні водоскиди, у багатьох випадках разом з поверхневими.

Мал. 4.41. План Саяно-Шушенської ГЕС: 1 і 4 – правобережна й лівобережна глухі греблі; 2 – водоскидна гребля; 3 – станційна гребля; 5 – будинок ГЕС Для забезпечення нормальних умов експлуатації ГЕС між відвідними каналами водоскиду й ГЕС зводять роздільну стінку або залишають скельний масив, що розділяє їх.

Арочні греблі являють собою просторову конструкцію у вигляді склепіння, що передає діючі на неї навантаження від тиску води, наносів, сейсмічних та інших факторів в основному на береги ущелини.

Арочні греблі широко застосовуються у відносно вузьких створах при відношенні довжини греблі по гребеню до висоти (L/H) звичайно до 4, а арочно-гравітаційні до 8 при сприятливих інженерно-геологічних умовах. Так, на Чиркейській арочній греблі висотою 235 м (див мал. 4.6) L/H=1,7, на Інгурській висотою 271,5 м L/H=2,36, на арочно-гравітаційній Саяно-Шушенській висотою 240 м L/H=4,45 (мал. 4.42).

Перевагою арочних гребель є їх просторова робота зі створенням стискаючих (розпірних) зусиль в напрямку арки й передачею більшої частини навантаження на борти ущелини, що дозволяє ефективно використовувати міцнісні властивості бетону (максимальні стискаючі напруги можуть досягати більше 10 МПа) і різко зменшити його обсяг. Обсяг бетону аркової греблі може становити 0,2–0,4 обсягу бетону гравітаційної греблі.

Конструктивні рішення арочних гребель залежать від форми створу, інженерно-геологічних умов, навантажень і впливів. Залежно від відношення товщини греблі по основі В до її висоти Н, названого «коефіцієнтом стрункості» ? = B/H, арочні греблі підрозділяють на тонкі – β<0,2, товсті – β = 0,20–0,35, арочно-гравітаційні – β = 0,35–0,65.

По обрису арочні греблі підрозділяють на такі типи:

• з постійним центральним кутом (характерні для ущелин трикутної або близької до них форми);

• циліндричні з постійним радіусом (характерні для ущелин прямокутної або близької до них форми);

• двоякої кривизни (в арочному і консольному напрямках) або купольні, що одержали найбільше поширення (застосовуються при різній формі ущелини).

Арочні греблі за характером сполучення з основою й берегами ущелини виконуються із пружним закладенням; з контурним або периметральним швом у зоні примикання до основи; зі швами – надрізами.

Мал. 4.42. Поперечний розріз греблі Саяно-Шушенської ГЕС: 1 – цементаційна завіса; 2 – дренажна завіса; 3 – водобійна плита, 4 – будівельний водоскид; 5 – експлуатаційний водоскид

Арочно-гравітаційна гребля Саяно-Шушенської ГЕС близька до циліндричної (мал. 4.41–4.42), арочна гребля Інгурської ГЕС – купольна з контурним швом (мал. 4.43), а арочна гребля Чиркейської ГЕС – купольна із пружним закладенням (див. мал. 4.6).

У більшості випадків арочні греблі виконуються двоякої кривизни з арками кругового обрису, в яких центральні кути верхньої арки становлять 100–120°, зменшуючись до основи. Арки можуть мати також параболічні обриси, еліптичні й ін. У відносно широких створах кривизна гребель у вертикальній площині (консольному напрямку) може бути незначною. Як і в гравітаційних греблях, в основі та бортах аркових гребель виконуються цементаційні й дренажні завіси.

а

б

Мал. 4.43. Інгурська гребля: а – вид з нижнього б'єфу; б – поперечний розріз; 1 – контурний шов; 2 – поверхневий водоскид; 3 – глибинний водоскид; 4 – водоскидні отвори будівельного періоду; 5 – цементаційна завіса; 6 – дренажна завіса

Гідростатичний тиск, що діє на Чиркейську арочну греблю, становить 5,8 млн.т, на Інгурську – 9,8 млн.т, на Саяно-Шушенську – 16,7 млн.т, при обсязі бетону Чиркейської греблі – 1,3 млн.м3, Інгурської – 3,96 млн.м3, Саяно-Шушенської – 8 млн.м3.

Відношення гідростатичного тиску до обсягу бетону, що певною мерою характеризує ефективність використання бетону й «сміливість» арочних гребель, дорівнює для Чиркейської греблі 4,5, Інгурської – 2,5, Саяно-Шушенської – 2,1.

Арочні греблі зводяться окремими секціями, а міжсекційні шви після охолодження бетону цементуються для додання греблям монолітності й забезпечення їх просторової роботи.

Арочні греблі в основному виконуються водоскидними з поверхневим водозливом на гребені, що має носок-трамплін для відкидання струменя (див. мал. 4.43), або із глибинними водоскидами, у ряді випадків із влаштуванням водобійного колодязя за греблею. Так, на Саяно-Шушенській ГЕС (див. мал. 4.42) глибинні отвори водоскиду, розраховані на скидання повеневої витрати 13,6 тис.м3/с, заглиблені на 61 м під НПР, а за греблею знаходиться водобійний колодязь. У процесі експлуатації мало місце порушення кріплення водобійного колодязя, що вимагало проведення ремонтних робіт, а також будівництва додатково берегового водоскиду.

У деяких випадках для гасіння енергії потоку при пропуску повені одночасно через водозлив на гребені й глибинні водоскиди з відкиданням струменя використовується принцип зіткнення струменів.

При виборі типу сполучення б'єфів для високонапірних арочних гребель необхідно забезпечити сприятливі умови гасіння енергії потоку із влаштуванням при необхідності кріплення. При відкиданні струменя від греблі на відстань, що становить більше 0,4 напору на греблю, і міцній скельній основі дно нижнього б'єфа за греблею може не кріпитися, тому що обмежений розмив скелі не становить небезпеки для греблі. При слабкій дуже тріщинуватій скелі для недопущення небезпечного розмиву передбачають влаштування бетонного кріплення або ковша гасіння у вигляді поглиблення русла в зоні падіння струменя й ін. За водозбірною греблею ГЕС Кариба (Зімбабве) висотою 128 м при скиданні паводкових витрат до 9 тис. м3/с протягом 5 років утворилася небезпечна вирва розмиву глибиною до 50 м у руслі, складеному сильно тріщинуватими кварцитами й гнейсами.Мал. 4.44. Намивна гребля Каховської ГЕС. Поперечний розріз по русловій греблі: 1 – кам'яний банкет; 2 – кріплення із залізобетонних плит; 3 – дренажна призма; 4 – намитий пісок тіла греблі

Мал. 4.45. Асуанська гребля. Поперечний розріз: 1 – ядро із глини; 2 – понур із глини; 3 – кам'яний накид; 4 – ін'єкційні галереї; 5 – протифільтраційна завіса; 6 – скеля; 7 – глибинний дренаж

а		б
в		г
д		е

Мал. 4.46. Основні типи насипних гребель: а – однорідна; б – неоднорідна; в – з екраном з неґрунтових матеріалів; г – з екраном із ґрунту; д – з ядром; е – з діафрагмою; 1 і 4 – верховий і низовий укоси; 2 – кріплення; 3 – гребінь; 5 – тіло греблі; 6 – дренажний банкет; 7 – підошва; 8 – перехідні зони; 9, 12 і 14 – середня, верхова й низова зони (призми); 10 – захисний шар; 11– екран; 13 – ядро; 15 – діафрагма

У ряді випадків у вузьких створах із пригребельними будинками ГЕС арочні греблі не мають водоскидів, пропуск повеневих витрат здійснюється через берегові тунельні водоскиди, наприклад на Чиркейській ГЕС (див. мал. 4.6).

Греблі із грунтових матеріалів. Греблі із ґрунтових матеріалів є найпоширенішим типом гребель і входять до складу більшості гідровузлів. Їх будують у різноманітних геологічних умовах з наявних у районі будівництва гідровузла ґрунтів, у тому числі із ґрунтів, вийнятих з котлованів будинків ГЕС, водоскидів та ін. Їх характеризує висока технологічність, комплексна механізація робіт. Як правило, греблі із ґрунтових матеріалів будують глухими.

Розміри поперечного профілю греблі залежать від її типу, висоти, ґрунтів основи й тіла греблі, навантажень і впливів, а також умов будівництва й експлуатації. За видами використовуваного ґрунту греблі поділяються:

• на однорідні греблі, які виконуються в основному з одного ґрунту (наприклад з піску або суглинку);

• на неоднорідні греблі, що виконуються з різних ґрунтів, які розташовуються у тілі греблі в певному порядку. До них належать греблі із протифільтраційними (водотривкими) елементами: водонепроникним ядром (діафрагмою) і екраном із ґрунту (суглинку, глини) або негрунтових матеріалів.

Нурекська ГЕС

За способом зведення греблі поділяються на наступні основні види:

• намивні греблі, які будуються за допомогою засобів гідромеханізації, коли розробка ґрунту в кар'єрі, транспортування та укладання його в тіло греблі здійснюються за допомогою води;

• греблі, що будуються відсипанням ґрунту у воду;

• насипні греблі, що будуються пошаровим відсипанням ґрунту насухо з наступним ущільненням його механізмами (наприклад самоскидами, котками).

Намивні греблі знаходять застосування в основному при будівництві низькоі середньонапірних гідровузлів на рівнинних річках, де вони утворюють значну частину напірного фронту й виконуються способом гідромеханізації з використанням земснарядів звичайно з кар'єрів ґрунту, розташованих поблизу греблі. Трудомісткість виконання намивних гребель і їх вартість нижча, ніж при зведенні насипних гребель.

Для таких гребель використовуються різноманітні ґрунти: гравійно-піщані (Камська, Дубоссарська), середньоі дрібнозернисті піски (греблі Дніпровського й Волзького каскадів), тонкозернисті пилуваті піски й супісок (Кайраккумська, Чардар’їнська) й ін. Більшість намивних гребель виконувалися з однорідних піщаних ґрунтів (мал. 4.44) із кріпленням верхового укосу залізобетонними плитами, каменем й ін. На ГЕС Дніпровського каскаду знайшли застосування намивні греблі розпластаного профілю із закладанням верхового укосу до 1:50 без кріплення його залізобетонними плитами, каменем.

Намивні греблі звичайно зводяться висотою до 60 м (Волгоградська й Саратовська – 45 м, Плявинська – 54 м). Намивним способом виконана також висока (висотою 80 м) гребля Мінгечаурської ГЕС із зональним намивом ґрунту в профілі греблі від гравійно-піщаного в зовнішніх зонах до супіщаного в ядрі греблі. Довжина гребель (включаючи дамби) може досягати десятків кілометрів (Київської – 48,2 км, обсяг – 28,3 млн. м3; Дніпродзержинської – 35,4 км, обсяг – 22,7 млн.м3).

У ряді випадків спосіб гідромеханізації використовується для замива кам'яного накиду в кам'яно-земляних греблях (наприклад на Асуанській греблі висотою 111 м з насипним глинистим ядром виконаний частковий замив кам'яного накиду, мал. 4.45).

Греблі, що будуються відсипанням ґрунту у воду, дозволяють використовувати ґрунти з підвищеною вологістю (моренні, суглинисто-дресвяні, суглинні й лесовидні та ін.), виконувати роботи й у суху, і в дощову погоду. Так, з використанням цього методу з моренних суглинків було виконано центральне ядро греблі Серебрянської ГЕС на Кольському півострові висотою 78 м і обсягом 5,2 млн.м3.

Мал. 4.47. Нурекська кам'яно-земляна гребля: 1 – ядро; 2 – перехідні зони; 3 – бічні упорні призми; 4 – бетонна пробка; 5 – кам'яна пригрузка; 6 – верхова перемичка; 7 – оглядові галереї; 8 – цементаційна завіса; 9 – площадкова цементація

Насипні греблі застосовуються як при будівництві низькоі середньонапірних гідровузлів, так і високонапірних гідровузлів на скельних основах. На ділянці русла ріки їх зводять в осушеному котловані за перемичками після відводу ріки по будівельному каналу, а в гірських умовах в основному по будівельному тунелю. Насипні греблі виконуються однорідними й неоднорідними. Основні типи насипних гребель наведені на мал. 4.46.

Насипні неоднорідні греблі з великоуламкових ґрунтів у вигляді гірської маси (каменю) підрозділяються на кам'яно-накидні (кам'яно-насипні, що відсипаються шарами з ущільненням механізмами) з водонепроникними елементами (екранами, діафрагмами) з неґрунтових матеріалів; кам'яно-земляні з водонепроникними елементами із ґрунту.

Високі греблі на скельних основах, як правило, кам'яно-накидні (кам'яно-насипні) та кам'яно-земляні. Для укладання в бічні й середню призми, крім гірської маси з кар'єрів і котлованів, використовуються також піщано-гравійні й гравійно-галечникові ґрунти природного походження.

У кам'яно-накидних (кам'яно-насипних) греблях для влаштування екранів і діафрагм використовують залізобетон, асфальтобетон, полімерні матеріали (наприклад поліетиленові плівки) й ін. Останнім часом значне поширення одержали кам'яно-насипні греблі із залізобетонним екраном, висота яких перевищила 200 м, наприклад гребля Шуабуйа (Китай) висотою 233 м.

У кам'яно-земляних греблях для влаштування екранів і ядра греблі використовують глинисті ґрунти.

Найвища у світі Нурекская гребля на р. Вахш висотою 300 м (мал. 4.47) виконана із гравелисто-галечникового ґрунту з ядром із супіщано-щебенистого грунту. Обсяг насипу дорівнює 56 млн.м3. В умовах високої сейсмічності в пригребеневій зоні верхової призми були влаштовані антисейсмічні пояси із залізобетонних елементів із гнучкими зв'язками. Ядро відсипалося шарами товщиною до 0,5 м, а бічні призми – до 1 м, які ущільнювалися пневмокотками статичної дії й віброкотками.