ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Глава 1. Особенности гидроэнергетического строительства на Севере 5
1.1. Природные условия Северной строительно-климатической зоны 5
1.2. Гидрологический режим северных рек 10
1.3. Районообразующее значение гидроэнергетического строительства 20
1.4. Влияние строительства гидроузлов на окружающую среду 22
Глава 2. Организация строительства гидроузлов в северных условиях 24
Доставка основных строительных материалов и оборудования. . 24 Производственно-техническая база строительства гидроэлектростанций 302.3. Организация строительства гидроэлектростанций каскадным методом 35
Глава 3. Основные тенденции в проектировании гидроузлов в северных районах 38
Компоновки гидроузлов 38 Гидроузлы с плотинами из грунтовых материалов 47 Гидроузлы с бетонными плотинами 51Глава 4. Пропуск строительных расходов при сооружении гидроузлов на
северных реках 54
4.1. Современные тенденции в организации пропуска строительных расходов 54
4.2. Пропуск строительных расходов при сооружении бетонных плотин 56
4.3. Пропуск строительных расходов при возведении грунтовых плотин 65
4.4. Пропуск строительных расходов поверх недостроенных грунтовых
плотин 70
4.5. Пропуск льда через временные и постоянные сооружения гидроузлов 91
4.6. Использование ледяного покрова при организации работ по пропуску строительных расходов 94
Глава 5. Подготовка оснований сооружений, сложенных вечномерзлыми
грунтами 97
5.3. Предпостроечное оттаивание и консолидация оттаивающих льдистых
грунтов 112
Разработка слабых обводненных грунтов при подготовке оснований плотин 121Глава 6. Бетонные работы при сооружении гидроузлов в северных условиях 131
Основные принципы зимнего бетонирования 131 Технологичность массивных бетонных конструкций северных гидроузлов 135Технология бетонирования прискальных блоков 156 Опалубочные работы на строительстве гидроузлов 162
Глава 7. Производство земельно-скальных работ при сооружении гидроузлов
в северных условиях 170
Конструктивно-технологические особенности земляных сооружений,возводимых в суровых климатических условиях 170
Термовлажностная мелиорация связных грунтов и их обогащениеперед укладкой в сооружения 182 Зимняя разработка связных грунтов с помощью электропрогрева 193 Пути улучшения технологии подготовки грунтов к укладке в про-
тивофильтрационные зоны земляных плотин 196 Технология зимней укладки связных грунтов в сооружения
различными способами 198
Зимняя укладка переувлажненных глинистых грунтов 211 Сооружение земляных плотин с противофилътрационными устройствами из негрунтовых материалов 216Глава 8. Подземные работы при сооружении гидроузлов в северных районах 222
8.1. Конструктивные особенности и организация строительства подземных
сооружений в толще вечномерзлых скальных грунтов.... 222
8.2. Горнопроходческие и подземные бетонные работы 224
Глава 9. Контроль качества работ и опыт эксплуатация гидротехнических
сооружений в суровых условиях 234
и эксплуатации 238
Деформации и фильтрационный режим грунтовых плотин 243 Натурные наблюдения за бетонными сооружениями 257Глава 10. Экономика гидроэнергетического строительства на Севере 262
Общие положения 262 Условия ценообразования на строительстве гидроузлов 263 Анализ структуры сметных затрат и пути снижения сметной стоимости 27010.4. Трудозатраты в строительстве 279
Выводы и рекомендации по совершенствованию проектирования и строительства гидроэлектростанций в Северной строительно-климатической зоне 281
Список литературы 296
9.2. Температурный режим грунтовых плотин в период строительства и эксплуатации
На формирование температурного режима плотины в эксплуатационный период значительное влияние оказывают условия их возведения. Температурный режим каменно-набросной плотины Вилюйской ГЭС в период строительства. Этапы сооружения плотины показаны на рис. 7.1.
Грунт в нижнюю 20-метровую по высоте зону экрана укладывался при температуре воздуха от —6 до —42 °С, затем после летней отсыпки 15-метрового слоя зимой был уложен слой грунта при температуре воздуха -37 °С. В пределах строительной траншеи грунт был уложен на 2/3 высоты экрана за один сезон при температуре воздуха до —40 °С.
Наблюдения за температурным режимом укладываемых слоев грунта показали, что последовательная укладка грунта при отрицательной температуре воздуха с технологическими перерывами в перекрытии слоев более суток приводит к промораживанию насыпи в целом. Температура насыпи в этом случае зависит от многочисленных трудноучитываемых факторов: начальной температуры грунта, температуры наружного воздуха, скорости ветра, технологии укладки, времени перекрытия слоев и т. д. В частности, в нижней части экрана плотины Вилюйской ГЭС температура грунта в начальный период эксплуатации была близка к температуре замерзания поровой воды. Температурное поле плотины к моменту наполнения водохранилища и через 10 лет после ее возведения показано на рис. 9.3 [13].
Несмотря на то что значительная часть экрана плотины, уложенная зимой 1964/65 г., была проморожена в период строительства при наполнении водохранилища, в течение 3—4 лет произошло оттаивание нижней части экрана и только верхняя зона экрана оттаивала к 1973 г. За 15-летний период эксплуатации значительно уменьшился перепад между максимальными и минимальными температурами по оси экрана с 5,8 до 1,3 °С. В верхней части экрана между отметками 30 и 50 м температура суглинка изменяется в течение года по периодическому закону с максимумом в январе-феврале при амплитуде годовых колебаний, достигающей 1 °С. Такое колебание объясняется колебанием температуры воды в водохранилище и свидетельствует об установившемся на пятом году эксплуатации сооружения фильтрационном режиме.
Очень сложным оказался температурный режим низовой упорной призмы плотины, наблюдения за которым велись с самого начала строительства. Упорные призмы плотины отсыпались из горной массы полезных выемок и карьеров, расположенных в толще мерзлых грунтов. Вследствие этого, а также под воздействием холодного воздуха каменная наброска оказалась промороженной. Сильное охлаждение низовой призмы в зимнее время привело к образованию в ее нижней части уже в первый год отсыпки зоны круглогодичной отрицательной температуры.
Интенсивное движение воздуха внутри наброски наблюдается визуально. Зимой над гребнем и верхней частью низового откоса плотины наблюдается парение воздуха; в снегу, прикрывающем наброску, много продушин, свидетельствующих об интенсивном движении теплого воздуха внутри наброски.
Охлаждение каменной наброски приводит к замерзанию воды, попадающей в нее летом в виде осадков или фильтрата, и образованию наледей. Зимой часть имеющегося в порах наброски льда возгоняется (сублимируется) и выносится потоком в атмосферу. Льдообразование в наброске ведет к сужению сквозных пор, по которым происходит движение воздуха, и к их закупорке. В результате накопления льда и закупорки пор уменьшается конвективная составляющая в общем балансе теплообмена каменной наброски с окружающей средой. Это приводит к уменьшению охлаждения каменной наброски в зимнее время за счет конвекции холодного воздуха и повышения роли отепляющего воздействия на плотину теплоты водохранилища. По данным наблюдений [13], амплитуда сезонных колебаний температуры каменной наброски за период с 1969 г. в среднем уменьшилось в 4 раза. Каменная наброска со стороны верхнего бьефа оттаяла, среднегодовая температура наброски повысилась. Полностью оттаили обратные фильтры, обеспечив тем самым нормальную работу системы экран-фильтр.
С начала наполнения водохранилища в первые восемь лет нулевая изотерма перемещалась в сторону нижнего бьефа со средней скоростью 2-4 м в год. Затем скорость перемещения снизилась.
Значительные изменения температурного режима произошли в основании упорной призмы, где до строительства плотины был подрусловый талик шириной до 40 м. Интенсивное промерзание основания плотины началось с момента отсыпки грунта в осушенном котловане в 1963/64 г. и продолжалось в процессе возведения каменной наброски.
В 1971 г. при бурении термометрических скважин в основании низовой призмы плотины были обнаружены на участках, где ранее были положительные температуры, промороженные грунты с низкими отрицательными температурами. На глубине 15 м температура пород составляла -4 ~ -6 °С. К 1979 г. подрусловый талик промерз на 25-40 м.
В этой зоне, однако, имеется талый слой мощностью 6-8 м, по которому происходит отток профильтровавшейся воды.
С июля 1974 г. началось повышение температуры основания в центральной части низовой призмы плотины (ПК 2+40) [13, 45]. Уже в 1976 г. температура на контакте каменной наброски и основания стала положительной, а в декабре 1979 г. основание в этой зоне оттаило на 5 м. В настоящее время в основании низовой призмы происходит общее повышение температуры скалы.
При наполнении водохранилища основание экрана на береговых участках, сложенных вечномерзлой скалой, стало интенсивно оттаивать. В течении пяти лет с начала наполнения водохранилища (в 1964-1969 гг.) интенсивность протаивания в среднем составила 4,5 м/год, общая мощность слоя протаившего грунта составила от 1 до 33 м. В 1972 г. была зафиксирована скорость протаивания 11 м/год. В настоящее время скорость протаивания в правобережном примыкании составляет 0,5 -1,2 м/год.
Температурное поле русловой плотины Усть-Хантайского гидроузла также формировалось под влиянием условий ее воздействия. Плотина до отметки 50 м была возведена за один зимний сезон 1969/70 г., и при этом ядро плотины до отметки 35 м оказалось промороженным. Температура грунта в ядре плотины на отметке 13,5 м в январе 1970 г. вследствие перерывов в работе достигала -15 °С. При последующей укладке грунтов за счет выравнивания температур максимальная температура грунта в этой зоне повысилась до -8 °С. Укладка грунта с отметки 13,5 до 35,0 м велась при отрицательных температурах воздуха равномерно без длительных перерывов. Температура грунта в этой зоне после ее стабилизации колебалась в пределах -2 ~ -3 °С. Начиная с конца апреля по июль 1970 г. грунт укладывался с отметки 35 м до отметки 48,5 м при минимальных среднесуточных температурах воздуха не ниже -10 °С. Температура грунта в этой зоне была положительная, за исключением контакта с промороженной зоной (на отметке 35 м) [30]. Несмотря на то что ядро плотины выше отметки 55 м наращивалось только в летние периоды слоями по 4-5 м, уложенный грунт в этой зоне чередовался талыми и мерзлыми слоями. По-видимому, в верхней части плотины на формировании температурного режима, вследствие небольших масс укладываемых грунтов, сказалась общая тенденция формирования температурного режима плотины.
На рис. 9.4а показано температурное поле русловой плотины Усть-Хантайской ГЭС в начальный период эксплуатации и ход изменения температур в характерных сечениях с 1970 г. до периода относительной стабилизации, а на рис. 9.4б температурное поле плотины в 1984 г. после 15 лет эксплуатации.
Температурное поле по оси ядра в центральной ее части и в примыканиях по состоянию на 1974 г. после первых трех лет эксплуатации показано на рис. 9.5.
Рис. 9.5. Распределение температур грунта по оси ядра русловой плотины в начальный период эксплуатации:
1 - в центральной части плотины 22.11.74 г.; 2 - то же 07.06.74 г.; 3 - в правобережном примыкании 01.11.74 г.
Как видно, ядро плотины между отметками 7 и 33,5 м длительное время находилось в мерзлом состоянии, минимальная температура на отметке 11 м всего -1,7 °С. Слой ядра от отметки 33,5 м до 49 м в центральной части ядра талый с температурой грунта от 0,9 до 2 °С.
Сравнивая динамику изменения температур в двух плотинах - Усть-Хантайской и Вилюйской, нетрудно заметить, что процессы стабилизации температурного режима в плотине Усть-Хантайской ГЭС проходили более медленно.
В условиях Усть-Хантайского гидроузла на замедление процессов конвективного теплообмена большое внимание оказывает снежный покров, толщина которого к концу зимнего сезона достигает 2 м.
После пяти лет с начала подъема воды в водохранилище переходная зона плотины (2-й и 3-й слои фильтра) оказалась талой, при мерзлом низовом клине и частично мерзлом ядре. Датчик 23 с декабря 1971 г., а датчик 10 с марта 1972 г. показывают положительную температуру (рис. 9.4а).
Характер проникновения нулевой изотермы в переходной зоне показывает, что протаивание шло сверху вниз, под действием возникшего по талой зоне ядра неустановившегося фильтрационного потока, отжатая поровой воды и свободной инфильтрации. Фильтрационный поток скатывался по более проницаемому третьему слою фильтров. Однако, по-видимому, данный поток был недостаточно мощным, чтобы оказать более сильное отепляющее воздействие на нижний слой первого и второго слоев фильтра, где температура все еще близка к 0 С. Косвенно это свидетельствует о хорошем качестве укладки материала в ядро плотины, так как при наличии разуплотненных зон отепляющее значение потока было бы более интенсивное.
Характерно, что датчик 8 (рис. 9.4а), установленный на границе первого и второго слоев фильтра, показывал температуру, близкую к 0 °С после четырех лет эксплуатации плотины. Это свидетельствует о том, что к этому времени фильтрационный поток через ядро плотины на отметках ядра в пределах 6-35 м еще не установился. В этой зоне, как указывалось выше, должен существовать фильтрационный поток отжатия порового раствора (вследствие засоления грунта при укладке), температура которого может быть ниже 0 ° С.
Оттаивание зоны ядра с отметки 6 до 35 м закончилось лишь через 10-12 лет после принятия плотиной напора. Медленное оттаивание этой зоны объясняется возникновением в ней порового давления, которое препятствовало проникновению теплового фильтрационного потока с верхнего бьефа и одновременно охлаждало нижнюю зону первого слоя фильтра.
