4.3. Плотины гидроузлов

Плотины входят в состав сооружений напорного фронта русловых, приплотинных и деривационных ГЭС.

Бетонная плотина Гувер на р. Колорадо (США)

Плотина Гувер высотой 222,5 м – одно из самых крупных технических достижений первой половины ХХ века. Она была введена в эксплуатацию в 1936 году.

Рис. 4.36. Водосливная плотина Каховской ГЭС на мелкопесчаном основании. Поперечный разрез: 1 – водосливная плотина; 2 – анкерный понур; 3 – металлический шпунт; 4 – водобой; 5 – рисберма; 6 – зуб ячеистой конструкции из металлического шпунта

Плотины возводятся на мягких и скальных основаниях в разнообразных природных условиях и делятся, исходя из используемого материала, на следующие типы:

• бетонные – гравитационные, контрфорсные, арочные и арочно-гравитационные;
• из грунтовых материалов – однородные земляные (из песка, суглинка, глины и др.), неоднородные земляные и из крупнообломочных грунтов с водонепроницаемым ядром или экраном из глины, суглинка, а также с диафрагмой или экраном из железобетона, асфальтобетона и др.;
• комбинированные – ячеистые (с ячеистым железобетонным каркасом, заполненным грунтом), с нижней частью плотины из грунтовых материалов, а верхней бетонной и др.

Из них широкое распространение получили бетонные плотины и из грунтовых материалов.

Бетонные плотины выполняются водосбросными с поверхностными и глубинными отверстиями, обеспечивающими сброс паводковых расходов, станционными с устройством в них водоприемников, напорных трубопроводов ГЭС, глухими.

Рис. 4.37. Типы гравитационных бетонных плотин: а – массивная; б – с расширенными швами; в – с полостями в основании; г – с полостями, заполненными балластом; д – заанкеренная в основание Рис. 4.37. Типы гравитационных бетонных плотин:

Бетонные плотины на мягком и скальном основаниях (кроме арочных и арочно-гравитационных, а также пространственно работающих с омоноличенными швами гравитационных плотин) делятся деформационными (температурно-осадочными и температурными) швами на отдельные секции.

Высота плотин на мягком основании достигает 50 м, на скальном основании – 300 м и более. Так, высота самых высоких построенных плотин составляет: бетонной гравитационной массивной плотины Гранд Диксанс (Швейцария) – 284 м, арочной Ингурской (Грузия) – 271,5 м, а строящейся арочной Xiaowan (Китай) – 292 м. Значительное увеличение высоты плотин обусловлено широким строительством крупных ГЭС в горных и предгорных районах с возможностью создания больших регулирующих водохранилищ, значительным накопленным опытом строительства плотин, в том числе в сложных природных условиях, включая инженерногеологические, высокую сейсмичность, суровый климат, совершенствованием конструктивных решений и технологий возведения.

Бетонные плотины на мягких основаниях входят в состав напорного фронта русловых ГЭС и выполняются обычно водосбросными, в основном водосливными и редко с глубинными водосбросами. При этом удельные расходы (на 1 пог. м) в нижнем бьефе при сбросе паводковых расходов могут достигать 100 м 3 /с. Для гашения энергии сбрасываемого потока за плотиной выполняют крепления, включающие водобой, часто с гасителями, горизонтальную или наклонную рисберму и концевой участок крепления в виде вертикальной стенки, ковша, заполненного горной массой, и др. (см. рис. 4.2, 4.36). Со стороны верхнего бьефа для уменьшения фильтрационного давления в основании, фильтрационного расхода устраивается слабоводопроницаемый понур из глинистых грунтов, а под плотиной противофильтрационная завеса (в виде шпунта, зуба) и дренаж. В ряде случаев используется анкерный понур из железобетона, участвующий в сопротивлении плотины сдвигу (рис. 4.36).

а

б

Рис. 4.38. Братская ГЭС: а – поперечный разрез водосливной плотины; б – общий вид с нижнего бьефа при пропуске паводка; 1 – полость расширенного межсекционного шва; 2 – смотровые галереи; 3 – цементационная завеса; 4 – дренажные скважины

На Волжской ГЭС, в основании которой залегают пески, максимальный напор на бетонной плотине составляет 27 м, сбросной паводковый расход через плотину – 30,8 тыс.м 3 /с, а удельный расход – 44 м 3 /с, на Киевской ГЭС соответственно – 14,8 тыс. м 3 /с и 90 м 3 /с.

Бетонные плотины на скальных основаниях образуют напорный фронт приплотинных и плотинно-деривационных ГЭС. В основании и береговых примыканиях таких плотин обычно устраивают цементационную и дренажную завесы.

Гравитационные плотины характеризуются тем, что устойчивость против сдвига под действием давления воды и других нагрузок обеспечивается преимущественно сопротивлениями, развивающимися по контакту с основанием. При этом главную роль в сопротивлении плотины сдвигу играет масса плотины.

На плотину, помимо собственного веса и давления воды (статического и динамического с верхнего бьефа на напорную грань и с нижнего бьефа, взвешивающего и фильтрационного на подошву), действуют давление наносов, отложившихся в водохранилище, сейсмические и температурные факторы, связанные с тепловыделением (экзотермией) бетона при возведении и колебаниями температуры окружающей среды и др.

1 – уплотнения межсекционного шва; 2 – дренаж тела плотины; 3 – цемента

ционная завеса; 4 – дренажные скважины; 5 – турбинный трубопровод

а

б

Рис. 4.40. Зейская ГЭС: а – вид с верхнего бьефа; б – общий вид с нижнего бьефа; 1 и 2 – левобережная и правобережная глухие плотины; 3 – станционная плотина; 4 – водосбросная плотина; 5 – водоприемные отверстия здания ГЭС; 6 – естественная поверхность земли; 7 – кровля сохранной скалы; 8 – граница цементационной завесы

На скальных основаниях, кроме массивных гравитационных плотин «классического» типа, применяются гравитационные плотины облегченных типов, позволяющие уменьшить объем бетона (рис. 4.37):

• с расширенными швами, что позволяет снизить фильтрационное давление на подошву плотины;
• с продольными полостями в теле плотины в зоне основания, что также обеспечивает уменьшение фильтрационного давления;
• с внутренними полостями, заполненными балластом из грунта, или же с установкой в них оборудования ГЭС;
• заанкеренные, с предварительным напряжением бетонной кладки анкерами (тяжами), заделанными в основание.

Из всех типов гравитационных плотин наиболее широкое распространение получили массивные плотины (Гранд Диксанс, Красноярская, «Три ущелья» и др.).

Гравитационные плотины в основном выполняются треугольного профиля с вертикальной или слабонаклонной в сторону верхнего бьефа верховой гранью, а при высокой сейсмичности во многих случаях профиль плотины расширяется к основанию за счет увеличения уклона верховой грани. Низовая грань обычно имеет уклон 0,7–0,85.

Примером гравитационной плотины облегченного типа с расширенными швами является плотина Братской ГЭС высотой 125 м и общей длиной 1420 м, включающая станционную плотину длиной 440 м, водосливную – 242 м и глухую – 738 м. Расширенные швы в пределах внутренней зоны станционной и водосливной плотин имеют ширину 7 м (рис. 4.38). Объем бетона плотины составляет 4,8 млн.м 3.

Гравитационная массивная плотина Токтогульской ГЭС высотой 215 м (см. рис. 4.7), построенная в узком ущелье с высокой сейсмичностью (более 10 баллов), состоит из центральной и береговых секций и разрезана деформационными швами, омоноличенными в центральной части, благодаря чему достигается передача части нагрузки от центральных секций на береговые секции и борта ущелья. В плотине выполнены глубинный и поверхностный водосбросы.

Гравитационные плотины могут бетонироваться разными методами: отдельными блоками (столбчатая разрезка), разделенными строительными швами, с последующим их омоноличиванием, длинными секционными блоками, а в последнее время по широко применяемой технологии укатанного бетона с бетонированием слоями (толщиной 25–50 см) при уплотнении бетона катками (вместо вибрирования), как на плотинах из грунтовых материалов. Такая технология, получившая самое широкое распространение при строительстве гравитационных массивных плотин, позволяет улучшить условия охлаждения бетона, разогретого (экзотермия) в процессе возведения, упростить производство работ, сократить сроки и стоимость.

Контрфорсные плотины состоят из ряда расположенных на некотором расстоянии друг от друга контрфорсов (стенок) с напорным перекрытием в виде плит, арок, консольных утолщений контрфорсов и др. Давление воды и другие нагрузки, действующие на напорное перекрытие, передаются на контрфорcы, которые передают их непосредственно на основание при прочных скальных грунтах или через фундаментную плиту при слабых скальных грунтах.

В контрфорсных плотинах обеспечивается устойчивость против сдвига при объеме бетона, меньшем на 20–50% по сравнению с гравитационными плотинами, за счет снижения фильтрационного давления на подошву (при наличии полостей между контрфорсами) и придания напорной грани плотины наклона, благодаря чему на нее действует вертикальная пригружающая сила от давления воды.

Однако конструкция контрфорсных плотин значительно сложнее конструкции массивных гравитационных плотин. Примером плотины с плоскими перекрытиями является плотина Эскаба (Аргентина) высотой 88 м с расстоянием между контрфорсами 12 м, построенная в высокосейсмичном районе (9 баллов).

Самая высокая контрфорсная многоарочная плотина Даниель Джонсон (Канада) высотой 215 м (см. стр. 32) имеет центральную арку длиной 161,5 м и 13 арок длиной 76,2 м, объем бетона составляет 2,2 млн. м3.

В массивно-контрфорсной плотине Зейской ГЭС треугольного профиля высотой 110 м, длиной 709 м с объемом бетона 1,9 млн.м 3 (рис. 4.39 и 4.40), построенной в суровых климатических условиях, для улучшения температурного режима плотины предусмотрена возможность обогрева внутренних полостей между контрфорсами.

Плотина высотой 196 м одной из крупнейших в мире ГЭС Итайпу (Бразилия – Парагвай) мощностью 12,6 млн.кВт является массивно-контрфорсной (1982 г.).

Водосбросные гравитационные и контрфорсные плотины в большинстве случаев водосливные с поверхностными водосбросами, часто с отбросом струи носком-трамплином (см. рис. 4.38, б) и гашением большей части энергии потока за счет аэрации струи и при необходимости с креплением дна для уменьшения размыва или устройством ковша (ямы) гашения на участке падения струи. В ряде случаев сопряжение с нижним бьефом выполняется путем устройства водобойных колодцев для гашения энергии потока. Удельные расходы в нижнем бьефе при хорошем скальном основании могут достигать 200 м 3 /с (на 1 пог. м).

На водосбросных плотинах также используются глубинные водосбросы, во многих случаях вместе с поверхностными.

Рис. 4.41. План Саяно-Шушенской ГЭС: 1 и 4 – правобережная и левобережная глухие плотины; 2 – водосбросная плотина; 3 – станционная плотина; 5 – здание ГЭС

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации ГЭС между отводящими каналами водосброса и ГЭС возводят раздельную стенку или оставляют скальный массив, разделяющий их.

Арочные плотины представляют собой пространственную конструкцию в виде свода, передающую действующие на нее нагрузки от давления воды, наносов, сейсмических и других факторов в основном на берега ущелья. Арочные плотины широко применяются в относительно узких створах при отношении длины плотины по гребню к высоте (L/H) обычно до 4, а арочно-гравитационные до 8 при благоприятных инженерно-геологических условиях. Так, на Чиркейской арочной плотине высотой 235 м (см рис. 4.6) L/H = 1,7, на Ингурской высотой 271,5 м L/H = 2,36, на арочно-гравитационной Саяно-Шушенской высотой 240 м L/H = 4,45 (рис. 4.41).

Преимуществом арочных плотин является их пространственная работа с созданием сжимающих (распорных) усилий в арочном направлении и передачей большей части нагрузки на борта ущелья, что позволяет эффективно использовать прочностные свойства бетона (максимальные сжимающие напряжения могут достигать более 10 МПа) и резко уменьшить его объем. Объем бетона арочной плотины может составлять 0,2–0,4 объема бетона гравитационной плотины.

Конструктивные решения арочных плотин зависят от формы створа, инженерно-геологических условий, нагрузок и воздействий. В зависимости от отношения толщины плотины по основанию В к ее высоте Н, называемого «коэффициентом стройности» β = B / H, арочные плотины подразделяют на тонкие – β <0,2, толстые – β = 0,20–0,35, арочно-гравитационные – β = 0,35–0,65.

По очертанию арочные плотины подразделяют на такие типы:

• с постоянным центральным углом (характерны для ущелий треугольной или близкой к ним формы);
• цилиндрические с постоянным радиусом (характерны для ущелий прямоугольной или близкой к ним формы);
• двоякой кривизны (в арочном и консольном направлениях) или купольные, получившие наибольшее распространение (применяются при различной форме ущелья).

Арочные плотины по характеру сопряжения с основанием и берегами ущелья выполняются с упругой заделкой; с контурным или периметральным швом в зоне примыкания к основанию; со швами – надрезами.

Так, арочно-гравитационная плотина Саяно-Шушенской ГЭС близка к цилиндрической (рис. 4.41-4.42), арочная плотина Ингурской ГЭС – купольная с контурным швом (рис. 4.43), а арочная плотина Чиркейской ГЭС – купольная с упругой заделкой (см. рис. 4.6).

Рис. 4.42. Поперечный разрез плотины Саяно-Шушенской ГЭС: 1 – цементационная завеса; 2 – дренажная завеса; 3 – водобойная плита, 4 – строительный водосброс; 5– эксплуатационный водосброс

В большинстве случаев арочные плотины выполняются двоякой кривизны с арками кругового очертания, у которых центральные углы верхней арки составляют 100–120°, уменьшаясь к основанию. Арки могут иметь также параболические очертания, эллиптические и др. В относительно широких створах кривизна плотин в вертикальной плоскости (консольном направлении) может быть незначительной. Как и в гравитационных плотинах, в основании и бортах арочных плотин выполняются цементационные и дренажные завесы.

а

б

Рис. 4.43. Ингурская плотина: а – вид с нижнего бьефа; б – поперечный разрез; 1 – контурный шов; 2 – поверхностный водосброс; 3 – глубинный водосброс; 4 – водосбросные отверстия строительного периода; 5 – цементационная завеса; 6 – дренажная завеса

Гидростатическое давление, действующее на Чиркейскую арочную плотину, составляет 5,8 млн.т, на Ингурскую – 9,8 млн.т, на СаяноШушенскую – 16,7 млн.т, при объеме бетона Чиркейской плотины – 1,3 млн.м 3, Ингурской – 3,96 млн.м 3, Саяно-Шушенской – 8 млн.м 3. Отношение гидростатического давления к объему бетона, в определенной мере характеризующее эффективность использования бетона и «смелость» арочных плотин, равняется для Чиркейской плотины 4,5, Ингурской – 2,5, Саяно-Шушенской – 2,1Рис. 4.44. Намывная плотина Каховской ГЭС. Поперечный разрез по русловой плотине: 1 – каменный банкет; 2 – крепление из железобетонных плит; 3 – дренажная призма; 4 – намытый песок тела плотины 1 – ядро из глины; 2 – понур из глины; 3–каменная наброска; 4 – инъекционные галереи; 5 – противофильтрационная завеса; 6 – скала; 7 – глубинный дренаж

Рис. 4.45. Асуанская плотина. Поперечный разрез:

Арочные плотины возводятся отдельными секциями, а межсекционные швы после охлаждения бетона цементируются для придания плотинам монолитности и обеспечения их пространственной работы.

Арочные плотины в основном выполняются водосбросными с поверхностным водосливом на гребне, имеющем носок-трамплин для отброса струи (см. рис. 4.43), или с глубинными водосбросами, в ряде случаев с устройством водобойного колодца за плотиной. Так, на Саяно-Шушенской ГЭС (см. рис. 4.42) глубинные отверстия водосброса, рассчитанные на сброс паводкового расхода 13,6 тыс.м 3 /с, заглублены на 61 м под НПУ, а за плотиной находится водобойный колодец. В процессе эксплуатации имело место нарушение крепления водобойного колодца, что потребовало проведения ремонтных работ, а также строительства дополнительно берегового водосброса.

В некоторых случаях для гашения энергии потока при пропуске паводка одновременно через водослив на гребне и глубинные водосбросы с отбросом струи используется принцип соударения струй.

При выборе типа сопряжения бьефов для высоконапорных арочных плотин необходимо обеспечить благоприятные условия гашения энергии потока с устройством при необходимости крепления. При отбросе струи от плотины на расстояние, составляющее более 0,4 напора на плотину, и прочном скальном основании дно нижнего бьефа за плотиной может не крепиться, так как ограниченный размыв скалы не представляет опасности для плотины. При слабой сильно трещиноватой скале для недопущения опасного размыва предусматривают устройство бетонного крепления или ковша гашения в виде углубления русла в зоне падения струи и др. За водосборной плотиной ГЭС Кариба (Зимбабве) высотой 128 м при сбросе паводковых расходов до 9 тыс.м 3 /с в течение 5 лет образовалась опасная воронка размыва глубиной до 50 м в русле, сложенном сильно трещиноватыми кварцитами и гнейсами.

а		б
в		г
д		е

В ряде случаев в узких створах с приплотинными зданиями ГЭС арочные плотины не имеют водосбросов, пропуск паводковых расходов осуществляется через береговые туннельные водосбросы, например на Чиркейской ГЭС (см. рис. 4.6).

Плотины из грунтовых материалов. Плотины из грунтовых материалов являются наиболее распространенным типом плотин и входят в состав большинства гидроузлов. Их строят в разнообразных геологических условиях обычно из имеющихся в районе строительства гидроузла грунтов, в том числе из грунтов, вынутых из котлованов зданий ГЭС, водосбросов и др. Их характеризует высокая технологичность, комплексная механизация работ. Как правило, плотины из грунтовых материалов строят глухими.

Размеры поперечного профиля плотины зависят от ее типа, высоты, грунтов основания и тела плотины, нагрузок и воздействий, а также условий строительства и эксплуатации. По видам используемого грунта плотины делятся:

• на однородные плотины, выполняемые в основном из одного грунта (например из песка или суглинка);
• на неоднородные плотины, выполняемые из разных грунтов, располагаемых в теле плотины в определенном порядке. К ним относятся плотины с противофильтрационными (водоупорными) элементами: водонепроницаемым ядром (диафрагмой) и экраном из грунта (суглинка, глины) или негрунтовых материалов.

По способу возведения плотины делятся на следующие основные виды:

• намывные плотины, возводимые при помощи средств гидромеханизации, когда разработка грунта в карьере, транспортировка и укладка его в тело плотины производятся при помощи воды;
• плотины, возводимые отсыпкой грунта в воду;
• насыпные плотины, возводимые послойной отсыпкой грунта насухо с последую
• щим уплотнением его механизмами (например самосвалами, катками).

Нурекская ГЭС

Намывные плотины находят применение в основном при строительстве низкои средненапорных гидроузлов на равнинных реках, где они образуют значительную часть напорного фронта и выполняются способом гидромеханизации с использованием земснарядов обычно из карьеров грунта, расположенных вблизи плотины. Трудоемкость выполнения намывных плотин и их стоимость ниже, чем при возведении насыпных плотин. Для таких плотин используются разнообразные грунты: гравийно-песчаные (Камская, Дубоссарская), среднеи мелкозернистые пески (плотины Днепровского и Волжского каскадов), тонкозернистые пылеватые пески и супеси (Кайраккумская, Чардарьинская) и др. Большинство намывных плотин выполнялись из однородных песчаных грунтов (рис. 4.44) с креплением верхового откоса железобетонными плитами, камнем и др. На ГЭС Днепровского каскада нашли применение намывные плотины распластанного профиля с заложением верхового откоса до 1:50 без крепления его железобетонными плитами, камнем.

Намывные плотины обычно возводятся высотой до 60 м (Волгоградская и Саратовская – 45 м, Плявинская – 54 м). Намывным способом выполнена также высокая (высотой 80 м) плотина Минчегаурской ГЭС с зональным намывом грунта в профиле плотины от гравийно-песчаного в наружных зонах до супесчаного в ядре плотины. Длина плотин (включая дамбы) может достигать десятков километров (Киевской – 48,2 км, объем – 28,3 млн. м 3 ; Днепродзержинской – 35,4 км, объем – 22,7 млн.м3).

В ряде случаев способ гидромеханизации используется для замыва каменной наброски в каменно-земляных плотинах (например на Асуанской плотине высотой 111 м с насыпным глинистым ядром выполнен частичный замыв каменной наброски, рис. 4.45).

Плотины, возводимые отсыпкой грунта в воду, позволяют использовать грунты с повышенной влажностью (моренные, суглинисто-дресвяные, суглинистые и лессовидные и др.), выполнять работы и в сухую, и в дождливую погоду. Так, с использованием этого метода из моренных суглинков было выполнено центральное ядро плотины Серебрянской ГЭС на Кольском полуострове высотой 78 м и объемом 5,2 млн.м 3.

Насыпные плотины применяются как при строительстве низкои средненапорных гидроузлов, так и высоконапорных гидроузлов на скальных основаниях. На участке русла реки их возводят в осушенном котловане за перемычками после отвода реки по строительному каналу, а в горных условиях в основном по строительному туннелю.

Рис. 4.47. Нурекская каменно-земляная плотина: 1 – ядро; 2 – переходные зоны; 3 – боковые упорные призмы; 4 – бетонная пробка; 5 – каменная пригрузка; 6 – верховая перемычка; 7 – смотровые галереи; 8 – цементационная завеса; 9 – площадная цементация

Насыпные плотины выполняются однородными и неоднородными. Основные типы насыпных плотин приведены на рис. 4.46.

Насыпные неоднородные плотины из крупнообломочных грунтов в виде горной массы (камня) подразделяются на каменно-набросные (каменно-насыпные, отсыпаемые слоями с уплотнением механизмами) с водонепроницаемыми элементами (экранами, диафрагмами) из негрунтовых материалов; каменно-земляные с водонепроницаемыми элементами из грунта.

Высокие плотины на скальных основаниях, как правило, каменно-набросные (каменно-насыпные) и каменно-земляные. Для укладки в боковые и среднюю призмы, кроме горной массы, полученной из карьеров и котлованов, используются также песчаногравийные и гравийно-галечниковые грунты естественного происхождения.

В каменно-набросных (каменно-насыпных) плотинах для устройства экранов и диафрагм используют железобетон, асфальтобетон, полимерные материалы (например полиэтиленовые пленки) и др. В последнее время широкое распространение получили каменно-насыпные плотины с железобетонным экраном, высота которых превысила 200 м, например плотина Шуабуйа (Китай) высотой 233 м.

В каменно-земляных плотинах для устройства экранов и ядра плотины используют глинистые грунты.

Самая высокая в мире Нурекская плотина на р. Вахш высотой 300 м (рис. 4.47) выполнена из гравелисто-галечникового грунта с ядром из супесчано-щебенистого грунта. Объем насыпи равен 56 млн.м 3. В условиях высокой сейсмичности в пригребневой зоне верховой призмы были устроены антисейсмические пояса из железобетонных элементов с гибкими связями. Ядро отсыпалось слоями толщиной до 0,5 м, а боковые призмы – до 1 м, которые уплотнялись пневмокатками статического действия и виброкатками.