ПОЯРУСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ВОЗВЕДЕНИЯ АРОЧНЫХ ПЛОТИН
Доклад
Москва - 1995
Обоснование условий использования промороженных, крупных заполнителей для приготовления качественного стандартного бетона.
Установки добавки вместо части воды затворения льда (в том числе намороженного зимой) с дробилками разных типов.
Пароэжекторные установки для охлаждения песка в вакууме.
Установки охлаждения крупных заполнителей продувкой холодного воздуха в специальных бункерах с воздухоохладителями сухого и мокрого типа.
Установка дополнительного охлаждения крупных заполнителей продувкой холодного воздуха в расходных бункерах бетонного завода.
Установки охлаждения крупных заполнителей холодной водой в специальных бункерах (при подаче воды в бункер сверху и снизу) и дополнительного охлаждения крупных заполнителей холодной водой на грохотах контрольной сортировки.
Стенд охлаждения крупных заполнителей холодной водой на ленточных конвейерах при разных углах наклона конвейера.
Установка подогрева крупных заполнителей продувкой горячего воздуха в специальных бункерах, используемых для охлаждения летом.
Установка подогрева песка и крупных заполнителей паровыми регистрами из труб в специальных бункерах.
Установка подогрева песка топочными газами во вращающихся барабанах.
Стенд подогрева песка в кипящем слое.
Регулирование температурного режима бетона в производственных условиях.
При наладке всех перечисленных установок проводились исследования процессов теплообмена и массообмена для подбора оптимальных параметров охлаждения и (или) подогрева песка и крупных заполнителей (температура теплоносителей, продолжительность процесса).
С 1964 года автор доклада руководил "Лабораторией регулирования температурного режима бетона" в институте "Оргэнергострой" в России (в СССР).
- автор поярусной технологии возведения массивных бетонных сооружений, успешно использованной на строительстве арочной плотины Миатлинской ГЭС в 1985 году на Кавказе в России. Соавторы , и .
33
ОБ АВТОРЕ
Автор доклада Юрий Гунтер имеет ученую степень кандидат технических наук и ученое звание старший научный сотрудник.
Тел 74.E-mail: *****@***ru
Ю. Гунтер с 1959 года работает над проблемами регулирования температурного режима бетона и предотвращения трещинообразования массивных бетонных сооружений в России (в СССР), в том числе на строительствах бетонных плотин: Бухтарминской, Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Токтогульской, Курпсайской, Ташкумырской, Бурейской, Крапивинской, Вилюйской - гравитационных, Саяно-Шушенской - арочно-гравитационной, Андижанской - контрфорсной, Чиркейской, Ингурской, Миатлинской и Худонской – арочных. Восемь из перечисленных плотин строились в холодных условиях Сибири и Крайнего Севера, восемь - в жарких условиях Средней Азии и Кавказа. Консультировал строителей Останкинской телебашни и фундамента Главного монумента на Поклонной горе в Москве.
Ю. Гунтер вел теоретические разработки, руководил лабораторными и натурными исследованиям, стендовыми испытаниями, разработкой, наладкой, обеспечением работоспособности установок, в том числе:
Практические методы расчета температур и температурных напряжений в бетонных сооружениях.
Программы расчета (для персонального компьютера) температур в массиве бетона при регулярной укладке блоков, с учетом изменяющихся внешних условий, тепловыделения, тепло - и массо - обмена на поверхности и солнечной радиации.
Определение тепловыделения цементов и бетонов.
Теплозащита бетона и основания от переохлаждения.
Обследование поверхностей блоков, исследование динамики развития трещин и изменения величины их раскрытия.
Трубное охлаждение бетона.
Поверхностное охлаждение блоков поливом водой и увлажнением с измерением всех составляющих теплового баланса поверхности: теплообмен, массообмен (испарение, конденсация) и солнечная радиация.
Измерение теплофизических характеристик бетона (объемный вес, теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность).
32
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 2
1. Опыт регулирования температурного режима бетона 3
2. Особенности поярусной технологии возведения бетонных плотин 8
3. Результаты освоения поярусной технологии на строительстве
арочной плотины Миатлинской ГЭС в России. 14
4. Новая технология для арочной плотины Худони ГЭС в Грузии 21
5. Выводы 30
Литература 31
Об авторе 32
ВВЕДЕНИЕ
В докладе приведены результаты анализа причин образования трещин в бетоне высоких бетонных плотин.
Описана поярусная технология возведения бетонных сооружений, разработанная на основе 30-ти летнего опыта строительства бетонных плотин в России (в СССР). Обоснованы основные принципы поярусной технологии, которые значительно отличаются от принятых в мировой практике и в России для традиционных технологий.
Приведены результаты освоения поярусной технологии на строительстве арочной плотины Миатлинской ГЭС в России (1985 год).
Поярусная технология позволила значительно сократить срок возведения плотины и снизить затраты. В 1987 году было принято решение об использовании этой технологии на строительстве арочной плотины Худони ГЭС на Кавказе в Грузии. Но строительство этого гидроузла было прекращено.
2
ЛИТЕРАТУРА
1. . Испытания Днепровской плотины. Стройиздат. 1937.
2. . Борьба с появлением температурных трещин в бетонных мостовых опорах. Трансжелдориздат. 1937.
3. . Регулирование температурных напряжений бетона массивных плотин. Журнал “Гидротехническое строительство”, №
4. , . Токтогульский метод бетонирования сооружений. Энергия. 1973.
5. . О тепловом режиме массивных бетонных плотин. Журнал “Гидротехническое строительство” №
6. O. Holden. High - Lift Construction Methods for Mass Concrete. Proccedings of the ASCE, June, № PO3. 1959.
7. , , . Об укрупнении блоков бетонирования арочных плотин с допущением радиальных термических трещин. Журнал “Гидротехническое строительство”, №
8. и другие. Тепловой баланс блоков из укатанного бетона. Сборник докладов “Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, ПТТС-88”. Энергоатомиздат. 1989.
9. и другие. Анализ трещинообразования в блоках Чиркейской ГЭС. Журнал “Энергетическое строительство”, №
10. . Натурные исследования плотины Братской ГЭС. Энергия. 1968.
11. . Температурная трещиностойкость массивных бетонных сооружений. Энергоатомиздат. 1986.
12. и другие. Эффективность регулирования температуры бетона плотины Курпсайской ГЭС. Сборник докладов “Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, ПТТС-88”. Энергоатомиздат. 1989.
13. и другие. Принципы поярусной технологии возведения арочных плотин. Сборник докладов “Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, ПТТС-88”. Энергоатомиздат. 1989.
14. и другие. О требованиях к температурному режиму и технологии возведения арочных плотин. Сборник докладов “Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, ПТТС-88”. Энергоатомиздат. 1989.
15. , , . Внедрение передовой технологии и новой техники на строительстве Ингурской ГЭС. Журнал “Гидротехническое строительство”, №
16. Правила производства бетонных работ при возведении гидротехнических сооружений. ВСН 31-83. Министерство энергетики СССР. 1984.
31
5. Выводы
При традиционной технологии для выполнения требований Технических условий к температуре бетонной смеси в момент укладки и к максимальным температурам бетона требуется энергоемкий и металлоемкий комплекс дорогостоящих мероприятий.
При новой технологии решающее значение для предотвращения трещинообразования имеют: непрерывное трубное охлаждение бетона, соблюдение интервалов в бетонировании блока на блок не более 7 дней, поярусное (без опережающих секций) возведение плотины и временная теплозащита граней (при необходимости) от температурного удара.
Если затраты на теплозащиту при традиционной и при новой технология примерно одинаковы, то при новой технологии:
Ø в результате отмены ограничения температуры бетонной смеси в момент укладки - исключаются затраты на строительство и эксплуатацию установок предварительного охлаждения составляющих;
Ø в результате ускорения охлаждения плотины за счет непрерывности и отмены ограничения скорости охлаждения - сокращаются затраты на эксплуатацию холодильной станции для охлаждения воды для трубного охлаждения;
Ø в результате ускорения строительства за счет отмены ограничения минимальных интервалов в бетонировании блока на блок и за счет лучшей организации поточности работ при поярусном бетонировании блоков – сокращаются: накладные расходы и условно - постоянные затраты на водоотлив, эксплуатацию кранового и другого оборудования.
30
1. ОПЫТ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА БЕТОНА В РОССИИ (В СССР)
(причины трещинообразования и условия отсутствия трещин)
Несмотря на то, что опыт регулирования температурного режима бетона с целью предотвращения трещинообразования хорошо известен, для обоснования поярусной технологии необходимо кратко повторить основные этапы освоения регулирования, акцентируя внимание на главных причинах трещинообразования и условиях, при которых трещины не возникают.
На основании многолетнего опыта возведения бетонных сооружений в мире разработаны и проверены на практике различные эффективные способы и мероприятия, осуществление которых позволяет либо исключить возможность образования температурных трещин, либо значительно снизить вероятность их возникновения. Главными из мероприятий регулирования температурного режима бетона являются: охлаждение бетонной кладки водой, циркулирующей по заложенным в бетоне змеевикам из труб, применение предварительного охлаждения бетонной смеси, уменьшение расхода цемента и применение низкотермичных цементов, зонирование бетона по сечению плотины, ограничение высоты блоков и регламентирование перерыва в бетонировании блока на предыдущий блок. Кроме того, с целью уменьшения вероятности трещинообразования ограничивают размеры блоков в плане (в горизонтальных направлениях).
В СССР изучение температурных напряжений в бетоне и трещинообразования было начато в 30-е годы при строительстве плотины Днепровской ГЭС [1] и массивных опор мостов [2]. Была начата разработка методов моделирования температурных полей, расчета температур и напряжений в бетоне, предложен метод формировании благоприятной эпюры температур, соответствующей нулевым напряжениям бетона, выполнен большой объем натурных исследований температур и деформаций в бетоне с помощью закладных дистанционных приборов. Предложен “конус” для измерения свободных температурных деформаций в бетоне. Разность деформаций измеренных тензометрами, установленными в массиве бетона и в “конусе”, соответствует температурным деформациям, которые не произошли из - за влияния внешних связей и которые пропорциональны температурным напряжениям. Имея значения модуля упругости и меры ползучести бетона, полученные в виде функций времени в результате длительных стендовых испытаний больших образцов бетона, а
3
также измеренные в плотине деформации и температуры, стало возможно, используя метод суперпозиции (наложения) оценивать величину температурных напряжений, возникающих в бетоне плотины.
Особо остро вопросы предотвращения трещинообразования бетона встали в 50-е годы при строительстве высоких бетонных гравитационных плотин (с расширенными швами) Бухтарминской и Братской ГЭС (высотой более 100 М). Обильное трещинообразование бетона в блоках Братской плотины, которая возводилась при классической столбчатой разрезке в суровых климатических условиях (Сибирь), потребовало проведения глубоких исследований термонапряженного состояния бетона, постановки крупномасштабных производственных экспериментов на строящихся плотинах. В проектах новых плотин стали предусматривать комплексы конструктивных и технологических мероприятий, а также дорогостоящие установки, позволяющие регулировать температурный режим бетона.
На строительстве Бухтарминской, а затем и на строительстве Братской ГЭС в экспериментальном порядке отрабатывался метод “длинных блоков”, основными особенностями которого являлись: бетонирование каждой секции плотины одним блоком от верхнего до нижнего бьефа длиной доМ и высотой 1М; защита бетона от внешних воздействий самоподъемным шатром, обеспечивающим возможность создания искусственного климата для блока как в зимний, так и в любой другой период; ступенчатая укладка жесткого бетона с расходом цемента Кг на кубический метр слоями М, уплотняемыми пакетом вибраторов на специальном механизме, перемещающемся по шатру; использование полива поверхности блоков в качестве основного средства снижения максимальной температуры бетона.
В опытных “длинных блоках” Братской плотины, длинные стороны которых несмотря на теплую опалубку подвергались воздействию колебаний температуры наружного воздуха, трещины образовались из - за быстрого остывания бетона, примыкающего к скальному основанию, и большой неравномерности температур бетона в удаленных от скалы сечениях. В секциях же Бухтарминской плотины, забетонированных “длинными блоками” под общим шатром, предохранившем длинные грани секций в расширенных швах от воздействия колебаний температуры наружного воздуха, обеспечившем медленное остывание прискального бетона и равномерное температурное поле в удалении от скального основания, трещины не обнаружены [3].
4
11. В п.6.6 ТУ и п.10.6б ВСН для свободной зоны, а в п.6.8 ТУ и п.10.6 ВСН для всех зон плотины указаны допускаемые предельные разности между температурами в центре блока и на его горизонтальной поверхности 14 градусов С, в центре блока и на его боковых гранях - 24 градуса С. При новой технологии сохранены те же требования к указанным разностям температуры.
12. В п.6.5 ТУ указана одинаковая допускаемая максимальная температура для всех блоков контактной зоны. Влияние скального основания на напряжения в бетоне по мере удаления от основания уменьшается постепенно. Поэтому при новой технологии установлено плавное повышение допускаемой максимальной температуры по высоте контактной и переходной зон. В контактной зоне установлена высота блоков 0.75 М, выше - 1.5 М, шаг труб до высоты 0.2 х L принят 3.00 х 3.00 М, выше - 1.50 х 3.00 М.
13. Для свободной зоны в п.6.4 ТУ указана допускаемая температура бетона в момент укладки 15 градусов С, в 6.27 ТУ и п.10.21б - допускаемая скорость охлаждения бетона на 2 этапе не более 1 градус С в день. При новой технологии температура бетона в момент укладки, максимальная температура бетона и скорость его охлаждения в свободной зоне не ограничены. Высота блоков принята равной 1М, шаг труб - 1.50 х 1.50 М. Следует отметить, что при интервалах в бетонировании блока на блок 7 дней и при указанной в ТУ интенсивности укладки бетона 40000 кубических М в месяц бетонирование блоками высотой 3.00 М практически не возможно.
14. Конкретные рекомендации по режимам поверхностного охлаждения или теплозащиты блоков во всех зонах плотины должна оперативно выдавать служба температурного регулирования строительства в соответствии с краткосрочным прогнозом климатических характеристик, с учетом измеренных в бетоне и в основании температур.
29
В п.6.2 ТУ указаны различные интервалы при бетонировании блока на блок в зависимости от зоны плотины. В контактной и переходной зонах они меньше 7 суток, в свободной - больше. В соответствии с требованиями новой технологии интервал при бетонировании блока на блок не должен превышать 7 суток. Если интервал превышает 7 суток, в верхнем блоке нужно регулировать температуру как при укладке на скалу. В свободной зоне минимальный интервал при бетонировании блока на блок не ограничивается. В контактной зоне интервал может зависеть от необходимости обеспечить требуемые максимальные температуры.
7. В п.6.13 и п.6.25 ТУ, в п.10.20 и п.10.22 ВСН предусматриваются перерывы в трубном охлаждении. При новой технологии перерывы в охлаждении не допускаются.
8. В п.6.24 ТУ и п.10.20 ВСН указана максимальная допустимая скорость охлаждения бетона 1 градус С в сутки. При скорости охлаждения бетона 1 градус С в сутки на строительстве Чиркейской плотины наблюдалось наибольшее трещинообразование, интенсивность которого уменьшалась по мере увеличения скорости охлаждения до 2.5 градусов С в сутки [9]. При новой технологии скорость охлаждения не ограничивается. При шаге труб 1.50 х 1.50 М в первые 3 - 5 дней после пика температуры скорость охлаждения не превышает 2.5 градуса С в сутки, а затем уменьшается.
9. В п.6.13 ТУ указано, что переключение трубного охлаждения с речной воды на охлажденную надо производить, когда бетон охлажден до 22 градусов С. Учитывая низкие температуры речной воды при новой технологии переключение на охлажденную воду нужно производить, когда разность между температурами бетона и воды равна 3 - 7 градусов С.
10. В п.6.23 ТУ, в п.10.20 ВСН и в п.6.26 ТУ и в п.10.21 ВСН указана предельная разность между температурами бетона и охлаждающей воды на первом этапе 30 и на втором этапе 20 градусов С. Для благоприятной эпюры
напряжений около труб трубное охлаждение необходимо включать до укладки бетона. При таком включении допустима разность между температурами бетона и воды до 40 градусов С. При новой технологии разность между температурами бетона и воды можно не ограничивать, она не сможет превысить указанные пределы, так как сначала охлаждение производят речной водой, а на охлажденную воду переключают когда разность между температурами бетона и воды равна 3 - 7 градусов С.
28
Метод “длинных блоков” не вышел из стадии экспериментов. Главным недостатком метода является противоречие, связанное с тем, что при увеличении скорости роста сооружения за счет увеличения высоты блоков или сокращения интервала между укладкой блока на блок величина разогрева бетона увеличивается, а допустимая максимальная температура с увеличением длины блоков понижается. Поэтому для ускорения возведения сооружения необходимо увеличивать затраты на охлаждение (бетонной смеси, бетона в сооружении). Для сокращения затрат на охлаждение, а главное, для упрощения бетонирования больших по площади “длинных блоков” от ступенчатой схемы укладки бетона перешли к однослойной, т. е. к “послойному” методу [4].
В массивах бетона, уложенных “послойным” методом в гравитационные плотины (без расширенных швов) Токтогульской и Курпсайской ГЭС, при равномерном возведением по всему фронту от берега до берега в жарком климате (Средняя Азия), трещины не обнаружены. Для Токтогульской плотины производили охлаждение песка и крупных заполнителей до 5 градусов С. Высота блока, состоящего из одного слоя, была сначала 0.50, а потом 0.75 М. На основании успешного токтогульского опыта для Курпсайской плотины были понижены требования к температурному режиму: заполнители бетона не охлаждали, а укладку бетона производили блоками высотой 1.00 М, состоящими из одного слоя.
Необходимо отметить опыт бетонирования массива объемом 22 тысячи кубических метров в одном из пролетов водосливной плотины Бухтарминской ГЭС, в который бетон укладывался блоками длиной более 50 М (от нижнего до верхнего бьефа) и высотой 7 - 8 М с высокой интенсивностью, практически за один месяц (апрель) на высоту 38 М в распор между ранее забетонированными бычками. Этот массив выдерживался 1.5 года до полного остывания в теплой опалубке по низовой и верховой граням без применения каких - либо средств охлаждения. При этом в первый период остывания продолжительностью 3 месяца (весна и лето) температура наружного воздуха повышалась. Несмотря на высокиеградусов С максимальные температуры бетона ни визуальными осмотрами, ни специальными длиннобазовыми тензометрами, установленными в нижней части этого массива, трещины не зарегистрированы [5]. Результаты бетонирования этого пролета, а также опыт бетонирования целых секций одним блоком в Канаде [6], показали, что при достаточно мощной теплозащите граней, обеспечивающей равномерное, медленное, без больших перепадов температуры остывание
5
всего массива, удается избежать трещинообразование, даже при высоких максимальных температурах бетона, уложенного на скальное основание.
Если в первое время трещинообразование в гравитационных плотинах считали недопустимым, то по мере накопления опыта строительства, особенно в суровых климатических условиях, отношение к трещинам стало не столь категоричным. Высказывались мнения о невозможности предотвращения трещинообразования, о допустимости образования неопасных для сооружения трещин, об устройстве в плотине специальных надрезов, организующих трещинообразование только таким образом, чтобы трещины не ухудшали работу сооружения, как единого целого [7].
Можно считать, что в России сложились два основных метода возведения бетонных плотин.
Первый может быть назван “столбчатым”. Для этого метода характерно наличие опережающих и отстающих элементов: столбов в гравитационных плотинах, секций - в арочных, а также большее или меньшее количество трещин.
Братская, Красноярская, Усть-Илимская гравитационные и Саяно-Шушенская арочно-гравитационная плотины бетонировались блоками высотой 3.00 М. Большой объем бетона в этих плотинах уложен высокими (до 24 М) блоками. Чиркейская и Ингурская арочные плотины бетонировались блоками высотой, в основном 1.50 М с перепадом между опережающими и отстающими секциями (через однуМ и более. В суровых климатических условиях за счет сокращения количества шатров над блоками, уменьшения одновременно перекрываемой шатрами поверхности и обогреваемого объема подшатрового пространства при поочередном бетонировании столбов высокими блоками достигают значительной экономии материалов и энергозатрат.
Второй - “послойный”, при котором отсутствуют опережающие элементы. В массивах, уложенных “послойным” методом, трещины не обнаружены.
Токтогульская и Курпсайская гравитационные плотины построены при последовательном бетонировании секций одним блоком высотой 0М, состоящим из одного слоя, с отделением секции от секции закладной железобетонной опалубкой [4]. “Послойный” метод пока применяли в климатических условиях, где теплозащиту поверхности бетона в холодный
6
3. L - наибольший размер блока в плане. Высота контактной (прискальной) зоны равна 0.1 х L, высота переходной зоны от 0.1 до 0.5 х L, свободная зона начинается с высот 0.2 х L.
4. В п.6.9 ТУ указано, что разность высот соседних секций не должна превышать 6 - 9 М. В ВСН о величине этой разности указаний нет. В п.10.6д такая же величина допускается для разности высот соседних столбов одной секции при “столбчатой” разрезке гравитационной плотины. При новой технологии разность высот соседних по оси плотины секций не должна превышать высоту одного блока. Эта разность высот образуется при последовательном бетонировании блоков одного яруса и практически сразу перестает существовать, так как бетонирование следующего по ярусу блока начинается без перерыва после окончания бетонирования предыдущего блока.
5. В п.6.3 ТУ и в примечании 2 к п.10.6а ВСН указано, что если интервал в бетонировании блока на блок превышает 15 дней, то бетон нижнего блока считают “старым” и температурному режим верхнего блока регулируют как в контактной зоне (как при укладке на скалу). Следует отметить, что до выхода ВСН 31-83 бетон считали “старым”, если интервал в бетонировании блока на блок превышал 30 дней. По мере накопления результатов наблюдений за трещинообразованием этот интервал был сокращен до 15 дней. Теперь на основании опыта возведения Чиркейской [9], Ингурской [13], Курпсайской [12], Миатлинской плотин, анализа причин трещинообразования в этих плотинах и результатов аналитических расчетов термонапряженного состояния бетона [11] необходимо в нормативных документах уменьшить величину допускаемого интервала при укладке блока на блок до 7 дней. При новой технологии максимальная допустимая величина указанного интервал принята равной 7 дней для всех зон плотины.
6. В п. 10.5 ВСН 31-83 указано, что высота блоков и интервалы при бетонировании блока на блок назначаются в зависимости от зоны укладки, сезона и времени бетонирования, распределения температур в нижележащих блоках, состава мероприятий для регулирования температуры бетона. Высота блоков и интервалы при бетонировании должны выбираться из условия обеспечения максимальной температуры бетона. При новой технологии максимальная температура ограничивается только в контактной зоне (при укладке на скалу или “старый” бетон) и в переходной зонах.
27
Наименование | ТУ для Худони | ВСН | Новая технология |
3.8.Срок утепления внешних граней блоков в холодный период | см. п. 2.8 | см. п. 2.8 | из условия обеспечения требований п.1.5 и п. 1.7 |
4. Свободная зона | |||
4.1.Допускаемая максимальная температура бетона, градусов С | (---) | (---) | не ограничена |
4.2.Допускаемая температура бетона в момент укладки, гр. С | 15 (6.4) | (---) | не ограничена |
4.3.Разность температур в центре и на внешних гранях блока, градусов С | не более 20 – 25 (6.6) | не более 20 – 25 (10.6б) | см. п. 1.5 и п.1.7 |
4.4.Высота блоков, М | 1.50-3.00 (6.2) | (10.5), см. примечание 6 | 1.50-3.00 |
4.5.Шаг между трубами охлаждения, М | 1.5х1.5 (6.12) | по расчету (10.23) | 1.5х1.5 |
4.6.Скорость охлаждения бетона при 2 этапе, гр. С в день | <=1.0 (6.27) | <=1.0 (10.21б) | не ограничена |
4.7.Поверхностное охлаждение блоков в теплый период | не конкретно (6 | не конкретно (10 | полив или увлажнение из условия обеспечения п. 1.4 |
4.8.Срок утепления внешних граней блоков в холодный период | см. п. 2.9 | см. п. 2.9 | из условия обеспечения требований п.1.5 и п. 1.7 |
Примечания:
1. В скобках указаны №№ пунктов Технических условий для Худонской плотины [14] и Правил ВСН 31-83[15].
2. Прочерк указывает, что данный параметр либо не указан в документе, либо не регламентируется.
26
период возможно осуществлять с помощью облегченного шатра, перекрывающего все сооружение. Зимой, в самое холодное время воздух в шатре подогревали, летом шатер защищал поверхность от интенсивной солнечной радиации.
Логичным совершенствованием “послойного” метода явилось использование особо жестких мало цементных бетонов, укладываемых одним блоком - слоем и уплотняемых укаткой на строительстве гравитационной плотины Ташкумырской ГЭС [8].
7
2. ОСОБЕННОСТИ пояруснОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ
БЕТОННЫХ ПЛОТИН
При разработке технологии возведения арочной плотины Миатлинской ГЭС обратили внимание на то, что 89% всех температурных трещин, наблюдаемых с поверхности блоков Чиркейской арочной плотины (фото 1), построенной в аналогичных условиях, зарегистрированы в опережающих секциях [9]. Трещины имели 47% блоков высотой 1.50 М, а в отстающих секциях - с трещинами только 8.6% блоков. Данные по блокам высотой 0.75, 1.00 и 3.00 М аналогичны. Например, в опережающих секциях с трещинами зарегистрировано 72% блоков высотой 3.00 М, в отстающих - 8.3%.
С целью сокращения трещинообразования в опережающих секциях предложено [9] дифференцировать требования к температурному режиму отстающих и опережающих секций - для последних установить более жесткие. Но даже незначительное ужесточение требований привело бы к не адекватному полученному эффекту, очень большому увеличению затрат на их выполнение. Это объясняется тем, что на строительстве Чиркейской плотины были уже использованы практически все возможные методы регулирования:
в результате охлаждения песка в вакуумной пароэжекторной установке до 5 градусов С, охлаждения всех фракций крупных заполнителей в специальных бункерах холодным воздухом до 5 градусов С, компенсационного (после нагрева при транспортировании из установки на завод) охлаждения крупных заполнителей в расходных бункерах бетонного завода продувкой холодного воздуха и охлаждения воды затворения температура бетонной смеси в жаркий период достигала 11 градусов С;
для понижения максимальной температуры проводили трубное охлаждение бетона при шаге между трубами 1.50 х 1.50 М, увлажняли поверхности блоков в жару, уменьшали расход цемента и использовали низкотермичный цемент;
в холодный период производили защиту поверхностей бетона от влияния колебаний температуры воздуха.
Учитывая это, в основу технологии возведения Миатлинской арочной плотины были положены другие, изложенные ниже принципы, направленные не на ужесточение требований к температурному режиму бетона, а на их смягчение и упрощение регулирования.
8
Наименование | ТУ для Худони | ВСН | Новая технология |
3. Переходная зона | |||
3.1.Допускаемая максимальная температура бетона, градусов С в нижнем блоке на высоте 0.3хL от основания на высоте 0.4хL от основания в верхнем блоке зоны | плавное повышение по 0.5 гр. С на 1 М высоты (6.7) (---) (---) (---) (---) | плавное повышение температуры (10.6в) (---) (---) (---) (---) | 35 39 42 – 43 45 |
3.2.Допускаемая температура бетона в момент укладки, гр. С | 15 (6.4) | (---) | не ограничена |
3.3.Разность температур в центре и на внешних гранях блока, градусов С | плавное увеличение по 0.5 гр. С на 1 М высоты (6.7) | плавное увеличение температуры (10.6в) | см. п. 1.5 и п.1.7 |
3.4.Высота блоков, М | 1.50 (6.2) | (10.5), см. примечание 6 | 1.50 |
3.5.Шаг между трубами охлаждения, М | 1.5х1.5 (6.12) | по расчету (10.23) | 1.5х3.0 |
3.6.Скорость охлаждения бетона при 2 этапе, гр. С в день | (---) | (---) | не ограничена |
3.7.Поверхностное охлаждение блоков в теплый период | не конкретно (6 | не конкретно (10. | полив или увлажнение из условия обеспечения п. 1.4 |
25
Наименование | ТУ для Худони | ВСН | Новая технология |
2. Контактная (прискальная) зона | |||
2.1.Допускаемая максимальная температура бетона, градусов С: в нижнем блоке в верхнем блоке | 25 (6.5) (---) (---) | 24 – 26 (10.6а) (---) (---) | 25 35 |
2.2.Допускаемая температура бетона в момент укладки, гр. С (в крайнем случае, для блоков высотой 0.75 М) | 15 18 (6.4) | (---) | не ограничена |
2.3.Разность температур в центре и на внешних гранях блока, гр. С | 16 – 18 (6.5) | 16 – 18 (10.6а) | см. п. 1.5 и п.1.7 |
2.4.Высота блоков, М до высоты 0.1хL (см. примечание 3) выше 0.1хL | 0.75 (6.2) (---) (---) | (10.5), см. примечание 6 (---) (---) | 0.75 0 |
2.5.Шаг между трубами охлаждения, М | 1.5х1.5 (6.12) | по расчету (10.21б) | 3.0х3.0 |
2.6.Скорость охлаждения бетона при 2 этапе, гр. С в день | 0.50 (6.2) | 0.50 (10.23) | не ограничена |
2.7.Поверхностное охлаждение блоков в теплый период | не конкретно (6 | не конкретно (10 | полив речной водой с расходом 7-10 литров в секунду на 1000 квадратных М при выполнении требования п.1.4 |
2.8.Срок утепления внешних граней блоков в холодный период | до понижения температуры в центре до 20 и разности не более 20 гр. С (11.3) | из условия 40% прочности (11.3), обеспечения п.10.6 (11.34) | из условия обеспечения требований п. 1.5 и п. 1.7 |
24
|
Фото 1. Арочная плотина Чиркейской ГЭС.
Известно теоретическое положение о том, что в стене, которой практически является арочная плотина, забетонированной мгновенно, на некотором расстоянии от основания изменение среднеобъемной температуры на любую величину и с любой скоростью не вызывает температурных напряжений, а приводит только к изменению линейных размеров пропорционально коэффициенту температурных деформаций. Можно представить, что в реальных условиях величина температурных напряжений зависит от того, на
9
сколько в отдельных зонах температура и деформативные характеристики бетона отличаются от среднеобъемных значений, а так же от того, какова история образования этих отличий. Натурные исследования показали [10], что сочетание неравномерности температурного поля по вертикальному и горизонтальному направлениям вызывает увеличение напряжений и приводит в некоторых случаях к образованию сквозных трещин.
Поэтому основным средством предотвращения трещин в разрабатываемой технологии выбрано - выравнивание температурного поля и деформативных характеристик бетона по всему объему плотины:
1. выравнивание температурного поля было решено обеспечить за счет следующих мероприятий:
1.1. по горизонтальному направлению, совпадающему с осью плотины, - за счет поярусного, без опережающих секций бетонирования блоков от берега до берега;
1.2. по горизонтальному направлению, перпендикулярному оси плотины, - посредством непрерывного трубного охлаждения, в сочетании, при необходимости, с теплозащитой граней в холодный период;
1.3. по вертикальному направлению - оперативным, гибким регулированием температуры горизонтальной поверхности блока в сочетании с непрерывным трубным охлаждением;
2. для выравнивание деформативных характеристик бетона в поярусной технологии принято ограничение интервала в бетонировании блока на блок.
При традиционном способе возведения в опережающих секциях Чиркейской плотины температура неравномерная по всем трем направлениям. По направлению, совпадающему с осью плотины, температура начинает выравниваться после бетонирования блоков в отстающих секциях. К этому моменту в блоках опережающих секций происходят температурные деформации и формируются напряжения.
При “послойном” методе равномерность температур вдоль оси плотины (п. 1.1) обеспечена последовательным, равномерным от берега до берега бетонированием блоков, состоящих из одного слоя.
10
Наименование | ТУ для Худони | ВСН | Новая технология |
1.3.4.Допустимая скорость охлаждения бетона, гр. С/день: в первые дней в дальнейшем | 1.00 0.50 (6.24) | 1.00 0.50 (10.20) | не ограничена не ограничена |
1.3.5.Разность температур бетона и воды на 2 этапе, градусов С | 20 (6.26) | 20 (10.21) | не ограничена |
1.3.6.Температура бетона, при которой с речной воды переключают на охлажденную, гр. С | 22 (6.13) | (---) | на 3 - 7 градусов С выше температуры речной воды |
1.4.Разность температур бетона в центре и на горизонтальной поверхности блока, гр. С: в длинных блоках в столбчатых блоках | 14 16 (6.8) | 14 16 (10.6г) | 14 14 |
1.5.Теплозащита внешних граней блоков | см.: п. 2.3, п. 3.3, п. 4.3 | из условия обеспечения 40% прочности до замораживания (11.3) | из условия обеспечения 40% прочности до замораживания, разности 24 гр. С в центре и на грани. См. п. 1.7 |
1.6.Интервал в бетонировании блока на блок, при котором бетон нижнего блока считают “старым”, дней | 15 (6.3) | 15 (п.10.6а) | 7 |
1.7.Скорость охлаждения внешних граней блоков после пика температур | (---) | (---) | не выше скорости охлаждения в центре блока |
23
производства бетонных работ” [17], далее ВСН, и включаются в Проект гидроузла. Ниже приведены требования к температурному режиму бетона, регламентированные в ТУ, ВСН и установленные для применения новой технологии на арочной плотине Ходони ГЭС:
Наименование | ТУ для Худони | ВСН | Новая технология |
1. Общие требования | |||
1.1.Разность высот соседних секций, М | <=6-9 (6.9) | (---) | не более высоты одного блока |
1.2.Интервал в бетонировании блока на блок, дней: | |||
в контактной зоне | 3 - 5 | см. при- | <=7 |
в переходной зоне | 5 - 7 | мечание 6 | <=7 |
в свободной зоне | 7 - 10 | <=7 | |
(см. примечание 3) | (6.2) | (10.5) | |
1.3.Трубное охлаждение | |||
1.3.1.Перерывы в охлаждении | в зависимости от длительности этапа (6.25) | для соблюдения требований п. п.10.20 и 10.21 прерывистый режим (10.22) | включение до укладки бетона, непрерывно до температуры омоноличивания |
1.3.2.Продолжитель-ность первого этапа охлаждения, дней | до температуры бетона 22 гр. С (6.13) | 10-20, что бы второй разогрев не был выше первого (10.20) | см. п. 1.3.1 |
для блоков высотой, М: | |||
в теплый период: 0.75 1.50 3.00 в холодный период: 0.75 1.50 3.00 | 10 – 15 20 25 – 30 5 – 10 15 20 (6.25) | (---) | |
1.3.3.Разность температур бетона и воды на 1 этапе, гр. С | 30 (6.23) | 30 (10.20) | <=40 |
22
Для разгрузки напряжений, возникающих из - за неравномерности температур в горизонтальном, перпендикулярном оси плотины направлении, на открытых воздействию колебаний температуры наружного воздуха верховой и низовой гранях устраивают швы - надрезы. Возможность устройства надрезов в арочной плотине требует обоснования специальными исследованиями, так как существует мнение, что надрезы могут отрицательно повлиять на работу плотины, как единого целого. Основанием для выбора трубного охлаждения в качестве средства для выравнивания температур (п. 1.2) послужили результаты натурных исследований [10], показавшие, что при шаге труб 1.50 х 1.50 М разность температур по сечению не превышает 5 градусов С. Основным фактором, определяющим эффективность трубного охлаждения, является скорость понижения температуры бетона. В [11] на основании аналитических расчетов показано, что при увеличении интенсивности трубного охлаждения прискального блока длиной 27 М вероятность трещинообразования возрастает, и при шаге труб 1.50 х 1.50 М непрерывное охлаждение через три недели приводит к нарушению условия трещиностойкости. Но это относится к блокам, уложенным на скалу или на старый бетон.
Как показали наблюдения за трещинообразованием в блока Черкейской плотины, удаленных от скального основания, количество трещин уменьшается с увеличением скорости охлаждения от 1.0 до 2.5 градуса С в сутки [9]. Причем наиболее интенсивное трещинообразование было отмечено при скорости охлаждения 1.0 градус C в сутки, которая определена как максимально допустимая в нормативных документах [16]. Как показали натурные наблюдения при “послойном” бетонировании Курпсайской плотины, темп охлаждения 3 - 4 градуса в сутки не вызывает трещинообразование блоков с размерами 30 и более М.
Натурные исследования теплового баланса на горизонтальной поверхности бетона [8, 12] показали, что изменяя режим подачи и стока воды на поверхность блока можно оперативно влиять на температуру поверхности и изменять температурное поле по вертикальному направлению (п. 1.3).
При организации интенсивной подачи и стока воды таким образом, чтобы вода протекала по всей поверхности без образования застойных зон, средняя по горизонтальной поверхности температура равна среднеарифметическому значений температуры воды поступающей и стекающей с блока. При увлажнении - в результате интенсивного испарения температура поверхности ниже температуры воздуха, даже при полной солнечной
11
радиации. Температура сухой поверхности выше температуры воздуха, особенно при солнечной радиации. При организации на поверхности блока постоянного слоя воды имеется возможность, изменяя расход подаваемой воды, регулировать температуру поверхности от температуры сухой поверхности до температуры при интенсивном поливе. При необходимости поверхность блока можно укрывать.
Обязательным условием правильного регулирования температуры вертикальных и горизонтальных поверхностей блоков (п. 1.2 и п. 1.3) является наличие на строительстве службы регулирования температурного режима бетона, которая устанавливает в плотину закладные датчики температур, производит измерения, обработку данных измерений и на основе анализа состояния температурного поля и прогноза принимает оперативные решения по регулированию температур. Эта служба должна иметь программу для персонального компьютера, которая на основании результатов измерений температур бетона и климатических данных рассчитывает прогноз температурного режима бетона.
Выравнивание деформативных характеристик бетона (п. 1.2) необходимо главным образом по вертикальному направлению, где на контакте между блоками разность их значений для нижнего и для верхнего блока в основном определяется величиной интервала между бетонированием этих блоков. В [9] было установлено, что средний интервал в бетонировании блока на блок в Черкейской плотине равен 10.5 суток, при этом 60% блоков укладывались с интервалов более чем 8 суток. Трещины, в основном, возникали в блоках, которые бетонировались более чем через 7 суток после укладки нижнего блока. Большое влияние этого фактора на трещинообразование и необходимость назначения интервалов в бетонировании в зависимости от условий бетонирования показаны в [10]. В [11] тоже отмечается, что при перерывах в бетонировании менее 10 суток создается благоприятное термонапряженное состояние.
Проведенный анализ позволяет сформулировать следующие принципы поярусной технологии [13]:
1. для предотвращения трещинообразования бетона необходимы следующие основные мероприятия:
интенсивное трубное охлаждение уложенного бетона,
12
4. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ АРОЧНОЙ ПЛОТИНЫ ХУДОНИ ГЭС В ГРУЗИИ.
Для распространения миатлинского опыта использования новой технологии на плотину Худони необходимо прежде всего сопоставить основные климатические характеристики районов строительства этих плотин, которые приведены ниже:
Наименование | Миатлинская | Худонская |
Среднегодовая температура воздуха | 12.0 | 10.6 |
Абсолютный максимум | 42.0 | 41.0 |
Абсолютный минимум | -30.0 | -22.0 |
Амплитуда | 72.0 | 63.0 |
Среднемесячная многолетняя температура воздуха: январь / июль | -0.7 / 24.4 | 2.8 / 20.4 |
Амплитуда | 25.1 | 20.4 |
Продолжительность морозного периода, дней | 90 | 133 |
Температура воды в реке: | ||
среднегодовая | 11.9 | 6.7 |
среднемесячная января | 7.8 | 2.5 |
среднемесячная августа | 16.5 | 10.0 |
Разность между среднемесячной июля и среднегодовой температурами воздуха | 12.4 | 9.8 |
Несмотря на то, что в районе Худонской плотины среднегодовая температура воздуха ниже на 1.4 градуса С и продолжительность морозного периода больше в 1.5 раза, общие условия в этом районе благоприятнее для температурного режима бетона, чем в районе Миатлинской плотины.
В районе Худонской плотины значительно меньше амплитуда колебаний температуры воздуха, меньше разность между среднемесячной июля и среднегодовой температурами воздуха (меньше величина охлаждения бетона до установившейся температуры).
При традиционной технологии возведения арочной плотины необходимо тщательно соблюдать жесткие требования “Технических условий” [16], далее ТУ, которые разрабатываются на основе ведомственных “Правил
21
|
20
поярусное бетонирование плотины (без опережающих и отстающих секций),
интервал при бетонировании блока на блок определяются сроком подготовки блока к бетонированию, но не должен превышать 7 суток,
гибкое регулирование температуры горизонтальной поверхности блоков,
организация на строительстве службы регулирования температурного режима бетона;
2. если интервал при бетонировании блока на блок превышает 7 суток - к температурному режиму бетона следует предъявлять такие же требования, как при укладке на скалу;
3. для экстремальных условий рекомендуются следующие дополнительные средства:
укрытие горизонтальной поверхности блоков,
теплозащита напорной и низовой граней,
затенение или увлажнение заполнителей на складах;
4. при выполнении требований пункта 1 не регламентируются:
температура бетона в момент укладки (специальные установки для предварительного охлаждения бетона и заполнителей не строятся и не применяются),
величина тепловыделения цемента,
минимальные интервалы при бетонировании блока на блок.
13
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ пояруснОЙ ТЕХНОЛОГИИ
НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ АРОЧНОЙ ПЛОТИНЫ МИАТЛИНСКОЙ ГЭС
Плотина Миатлинской ГЭС (полная строительная высота 86.5 М) включает пробку, опорную подушку (седло), арку двоякой кривизны кругового очертания в плане (высотой 73 М) и береговые устои. Толщина арки по основанию 11.5 М, по гребню 6.3 М. Среднее расстояние между межсекционными швами 17.0 М. Объем бетона 108900 кубических метров, в том числе в арочной части - 77200 кубических метров. Климатические условия района строительства характеризуются среднегодовой температурой воздуха 12 градусов С. В году бывает около 40 дней со среднесуточной температурой воздуха ниже 0, около 100 дней - с температурой выше плюс 20 и 2 дня - с температурой выше плюс 30 градусов С. Холодный период, в котором возможны отрицательные температуры, 90 дней.
В проекте Миатлинской ГЭС была принята традиционная схема возведения плотины с опережающими и отстающими секциями. Установлены жесткие требования к температурному режиму бетона: температура бетонной смеси в момент укладки - не выше 15 градусов С, максимальная температура бетона в блоках - не выше 42 градусов С, разность между температурами в центре и на горизонтальной поверхности блоков - не более 14 градусов С, разность между температурами в центре и на вертикальных гранях блоков - не более 24 градусов С, скорость охлаждения бетона при расстоянии между трубами 1.5 х 1.5 М речной водой (с температуройградусов С) в первые 7 дней - не более 1.5 градуса С в сутки, скорость охлаждения бетона водой с холодильной станции (плюс 3 градуса С): в первые 2 суток после включения - не более 1.4 , далее - не более 0.9 градусов С. При строительстве арочной части плотины вместо этих требований были приняты требования поярусной технологии.
Поярусная технология была успешно освоена в процессе возведения Миатлинской плотины [14]. С соблюдением разработанных принципов уложено более 75% объема арочной части плотины. При этом достигнуты не только высокие скорости бетонирования (средний 8 М в месяц), но и обеспечено предотвращение трещинообразование бетона. При регулярных обследованиях горизонтальных поверхностей блоков (100%), поверхностей межсекционных швов (100%), напорной и низовой граней (до 90%) в уложенном с соблюдением положений поярусной технологии массиве бетона трещины не обнаружены. Это является убедительным подтверждением правильности принципов поярусной технологии.
14
|
19
выше: в 75% случаев выше 1.5, в 20% - выше 1.8 градусов С в сутки. Средняя за весь период подготовки к омоноличиванию скорость охлаждения на Миатлинской плотине составила 0.3, на Чиркеской - 0.2 градуса С в сутки.
В результате поярусного бетонирования блоков (без опережающих и отстающих секций) и равномерного одновременного их охлаждения среднее раскрытие межсекционных швов на Миатлинской плотине составило 3.5 мм (максимальное 7.6 мм), что в 1.6 раза превысило среднее раскрытие швов на Чиркейской плотине и обеспечило на Миатлинской плотине значительно лучшие условия для цементации, чем на Чиркейской плотине при традиционном способе возведения.
В сочетании с непрерывным трубным охлаждением на Миатлинской плотине в холодный период применяли теплозащиту напорной и низовой грани прикрепленным к консольной опалубке брезентом. Сроки использования теплозащиты составилидней. В результате разность между температурами в центре и на гранях плотины за весь период бетонирования не превысила 24 град. С.
На рис. 3 приведена обеспеченность температуры бетона в момент укладки, а на рис. 4 обеспеченность максимальной температуры бетона в блоках высотой 1.5 М. Средняя температура бетона в момент укладки в июне, июле и августе на Миатлинской плотине была равна 21.9, 22.0 и 23.6 градуса С, на Чиркейской плотине в те же месяцы, когда работали установки охлаждения заполнителей, - 16.3, 17.9 и 18.1 градуса С. Максимальная температура бетона в блоках высотой 1.5 М на Миатлинской плотине в 35% случаев превысила 42 и в 13% случаев превысила 45 градусов С (в Чиркейской плотине соответственно 50 и 15% случаев). Высокие температуры бетона в момент укладки и высокие максимальные температуры бетона не вызвали трещинообразование в Миатлинской плотине, как это имело место в Чиркейской [9] и Ингурской [15] плотинах, в которых трещинообразование было наиболее интенсивным в теплый период: на лето приходится - 38%, на весну и лето - 80% блоков с трещинам.
18
Натурные исследования в процессе строительства показали, что главными для предотвращения трещинообразования являются интервалы при бетонировании блока на блок, непрерывность трубного охлаждения и поярусное бетонирование без опережающих секций (фото 2).
|
Фото 2. Арочная плотина Миатлинской ГЭС.
Средней интервал при бетонировании блока на блок в Миатлинской плотине был 5.8 дней, в Чиркейской - 10.5 дней. На рис. 1 сопоставлены кривые обеспеченности интервалов при бетонировании блока на блок (высота 1.5 М) Миатлинской и Чиркеской [9] плотин. Блоки с трещинами на Чиркейской плотине бетонировались с большим интервалом.
На рис. 2 приведены кривые обеспеченности скорости охлаждения Миатлинских и Чиркейских блоков после пика температур. В течение 3 суток скорость охлаждения 1.5 градусов С в сутки на Миатлинской плотине выдержана в 50% случаев, на Чиркейской плотине [9] скорость была ниже - 1.3 градусов С в сутки. Скорость охлаждения в течение 5 суток после пика температур блоков Миатлинской плотины, уложенных летом, значительно
15
|
16
|
17
