Гидросооружения 2/2009

Подождите немного. Документ загружается.

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

локонными датчиками в стояках,

вдоль низового откоса упорных

призм или в дренажных системах.

Точность измерения может дохо-

дить до 0,01°С.

4 Измерения и оценка

Левен

Грунтовая плотина в Левене была

построена между 1972 и 1973 гг.

Фильтрационный сток невозмож-

но было собрать и измерить, поль-

зуясь обычными системами, из-за

высокого уровня нижнего бьефа.

Во время ремонтных работ в 1998 г.

были установлены датчики давле-

ния и температуры (рис. 1), а также

оптоволокно для измерения темпе-

ратуры со стороны верхнего бье-

фа, над ядром и в ядре со стороны

нижнего бьефа плотины.

Первые измерения, произведен-

ные зимой 1998/1999 гг. при помо-

щи системы распределенных тем-

пературных датчиков (DTS), имeли

неудовлетворительную точность. В

2004 г. измерения были проведены

повторно с использованием систе-

мы распределенных температур-

ных датчиков типа Sentinel DTS,

с точностью, превышающей точ-

ность измерений 1998 г. в 10 раз.

Анализ данных при помощи про-

граммного обеспечения DamTemp,

основанный на результатах крат-

ковременных измерений темпера-

туры при помощи системы распре-

деленных температурных датчи-

ков DTS в 2004 г. и данных постоян-

ных замеров температуры, показал

максимальную величину удельно-

го фильтрационного расхода око-

ло 20–30 мл/(с • м). В мерной цепи

0/028 был зарегистрирован сосре-

доточенный фильтрационный по-

ток с расходом около 0,05 л/с. Более

широкая зона фильтрации была

также обнаружена между мерными

цепями 0/045 и 0/060 с общим рас-

ходом около 0,5 л/с.

Няс

Самый длительный температурный

мониторинг осуществляется в Шве-

ции на гидроэлектростанции Няс, где

ежемесячные замеры температуры

производятся с 1987 г. Земляная пло-

тина в Нясе имеет высоту 15 м и стоит

на реке Даляльвен. Произвести за-

мер фильтрационного стока тради-

ционными методами невозможно из-

за высокого уровня нижнего бьефа.

Неожиданное изменение тем-

пературы было зафиксировано в

стояке V08 в 2000 г. (рис. 2). После

тринадцати лет постоянных сезон-

ных колебаний между 4 и 11°С мак-

симальная температура возросла

до 17°С, а минимальная упала до

2°С. Расчет в программе DamTemp

показал увеличение удельного рас-

хода приблизительно с 8 • 10-6 м

(с • м) до 1.8 • 10-5 м

/ (с • м) на от-

метке + 59,2 м и около 5 • 10-4 м

(с • м) на отметке + 60,7 м, т. е. рост

фильтрационного стока составил от

2 до 60 раз. В последующие три года

отмечалось снижение сезонных ко-

лебаний температуры, означающее

уменьшение фильтрации.

Суовра

Плотины Суовра (Восточная, За-

падная и дамба Сягвик) расположе-

ны в верхнем течении реки Люле

яльв. По завершении строительс-

тва в 1972 г. они образовали самый

крупный искусственный водоем

в Швеции. В рамках модерниза-

ции системы мониторинга в 2004–

2005 гг. была установлена оптоволо-

конная система для измерения пе-

ремещений (напряжений) на греб-

не Восточной и Западной плотин и

фильтрационного потока Западной

плотины, где была сооружена при-

грузка упорной призмы НБ. Датчи-

ки были расположены на бермах

упорной призмы под пригрузкой.

Оценка точечных замеров пока-

зала минимальное значение удель-

ного фильтрационного расхода

между 10 и 60 мл / (с • м). Повтор-

ные замеры, выполненные в мае

2006 г., подтвердили эти результаты

(ðèñ. 3). Интервал между крайними

оценочными значениями расхода

даже сократился до 25 мл / (с • м).

5 Заключение

Метод измерения температуры

– это чувствительный метод изме-

рения величины фильтрационного

стока. Наилучший способ примене-

ния данного метода – длительный

мониторинг, в ходе которого есть

возможность обнаружить сравни-

тельно медленные и небольшие из-

менения фильтрационного потока.

Чувствительность метода состав-

ляет порядка 10-5 м

/ (с • м) для

нормальных плотин. Измерения

можно проводить при помощи оп-

товолоконных систем. Такая тех-

нология широко распространена

в Швеции, где 30 плотин оборудо-

ваны системами оптоволоконных

датчиков.

[1] Kappelmeyer, O.: The Use of Near Sur-

face Temperature Measurements for

Discover ing Anomalies due to Causes

at Depths. In: Geophysical Prospecting 3

(1957), S. 239 – 258.

[2] Johansson, S.: Localization and quanti-

fication of water leakage in ageing em-

bankment dams by regular temperature

measurements. IN: Proc. ICOLD 17th

Congress, Q65, R54, Vienna, Austria,

1991.

[3] Johansson, S.: Seepage Monitoring in an

Earth Embankment Dams. Doctoral The-

sis, TRITA-AMI PHD 1014, Royal Institute

of Technology, Stockholm, 1997.

[4] Aufleger, M.: Presentation at Working

Group on Internal Erosion in Embank

ment Dams. In: Symposium IREX/EWG,

26. – 27. 04. 2004, Paris.

[5] Dornstaedter, J.: Detection of Internal

Erosion in Embankment Dams. In: ICOLD

19th Congress, Q.73, R.7, Florence, 1997.

[6] Johansson, S.; Farhadiroushan, M.: Fibre-

optic System for Temperature measure-

ments at the Loevoen Dam. Elforsk Rap-

port 99 : 36, Stockholm, 1999.

Литература

Авторы

Sam Johansson, Ph.D.

Pontus Sjoedahl, Ph.D.

HydroResearch Sam Johansson AB

Box 1608

S-183 16 Taeby

sam.johansson@hydroresearch.se

pontus.sjodahl@hydroresearch.se

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

Карстен Кёнке и Франк Рёслер

Оценка конструкционной безопасности

четырех алжирских плотин

ООО RWG Ruhr-Wasserwirtschafts-Gmb, дочернее предприятие Рурского союза (Эссен) в кон-

сорциуме с инженерным бюро Фихтнер (Штутгарт) и Ассоциацией Хамза (Каир) в 2004 г. были

уполномочены алжирским Министерством гидросооружений ANBT провести детальное об-

следование и при необходимости оценить конструкционную безопасность четырех алжирских

плотин. Pечь, в частности, идет о плотинах Бу Ханифия, Дьорф Торба, Бени-Бадель и Меффроу.

По своей конструкции плотины представляли собой на момент строительства смелые и иннова-

ционные сооружения. Две последние плотины – многоарочные, cпроектированные Альфредом

Стаки: плотина Бу Ханифия – одна из первых каменно-набросных плотин с железобетонным

экраном, плотина Дьорф Торба – 37-метровая бетонная гравитационная плотина. Приоритет

при обследовании был отдан конструкционной безопасности плотин, гидрологическим и гео-

логическим аспектам и оценке надежности при вероятных сценариях землетрясений. В данной

статье представлен своеобразный отчет о проведенных на местах мероприятиях и цифровом

моделировании при обследовании сооружений, выполненный фирмами RWG для плотин Бу Ха-

нифия и Дьорф Toрба и Институтом структурной механики Высшей школы строительства Вей-

марского университета для многоарочных плотин Бени-Бадель и Меффроуч.

1 Введение

К составляющим детального об-

следования сооружений, наряду

с доказательствами безопасности

плотин, относятся геологические и

гидрогеологические аспекты обсле-

дования, а также определение веро-

ятного сейсмического воздействия.

Гидрологические изыскания и сбор

данных для сейсмических расчетов

в местах нахождения всех четырех

плотин завершены, но не подлежат

более подробному рассмотрению в

данной статье. Программа проведе-

ния геологоразведочных работ для

определения подходящих парамет-

ров материалов до сих пор не была

реализована заказчиком. Тем не ме-

нее, присутствовало желание про-

верить используемые расчетные мо-

дели на их пригодность посредством

использования исходных характе-

ристик материалов, почерпнутых из

литературных источников, а также

из опыта практического примене-

ния. Для двух расчетных случаев

были определены нагрузки, учиты-

вающие полный напор и сейсмичес-

кое воздействие.

2 Бу Ханифия

Строительство 54-метровой мосто-

вой плотины Бу Ханифия началось

еще в 1930 г. В качестве противо-

фильтрационного устройства был

использован железобетонный экран.

В Германии подобный метод гидро-

изоляции стал применяться намного

позже, например, при строительстве

Рурским союзом плотин в 1950-х и

1960-х гг. (в каждом случае с асфаль-

тобетонным экраном) плотин Хенне

и Бигге. Тело плотины состоит из су-

хой кладки и сделано с крутым отко-

сом со стороны верхнего бьефа 1:0,8.

Статические расчеты выполнены

на основе метода конечных элемен-

тов с использованием двухмерной

дисковой модели. Исходя из воз-

можных предельно допустимых ус-

ловий и проводимости материалов,

в первую очередь были рассчитаны

энергия течения и силы противо-

давления воды. Последние, наряду с

прочими нагрузками, были установ-

лены, собственно, при расчете запа-

са прочности. Для расчетов сухой

каменной кладки с целью упроще-

ния был применен закон Мора-Ку-

лона, как для грунтов с расчетными

характеристиками ϕ (угол трения) и

с (сцепление); была также принята

во внимание пластическая дефор-

мация при превышении прочности.

Особенностью плотины является

противофильтрационное устройс-

тво (ПФУ) в виде стены в грунте под

верховым упорным зубом глубиной

до 70 м. Она предварительно напря-

жена со средним анкерным усилием

2000 кН/м. Для учета относитель-

ных смещений вокруг зуба плотины

были установлены так называемые

интерфейс-элементы. Моделирова-

ние железобетонного экрана осу-

ществлялось посредством комби-

нации балковых и интерфейсовых

элементов. Прочие интерфейсовые

элементы были расположены в де-

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

формационных швах для того, что-

бы иметь возможность задавать

соответственно низкие параметры

материалов шва. Расчеты при пол-

ном напоре показывают, что плоти-

на перемещается главным образом в

сторону нижнего бьефа, и в нижней

трети напорного откоса плотины под

влиянием давления воды возникают

незначительные деформации (ðèñ.

1). Определение надежности соору-

жения производилось посредством

ϕ/c редуцирования, причем для рас-

четного случая при полном напоре в

качестве основного параметра безо-

пасности служил уровень разруше-

ния низового откоса плотины.

3 Дьорф Торба (Djorf Torba)

Расположенная в окрестностях

Бехара на северной границе пус-

тыни Сахары гравитационная пло-

тина Дьорф Торба – высотой 37 м

и длиной по гребню 762 м – была

построена в период с 1966 по 1968 гг.

Первоначальный полезный объем

составлял 350 млн м

Расчеты напряженно-деформи-

рованного состояния и запаса ус-

тойчивости были выполнены мето-

дом конечных элементов. Для этого

за основу была принята двухмерная

дисковая модель плотины и основа-

ния в районе водосливных секций в

середине плотины.

Чтобы снизить противодавление

воды на подошву сооружения в ос-

новании плотины, была выполнена

противофильтрационная цемента-

ционная завеса. Цементация прово-

дилась из нижней смотровой гале-

реи, за завесой расположились два

ряда дренажных скважин.

Собственно, статический расчет

состоял, таким образом, из трех эта-

пов. На первом этапе были вновь оп-

ределены гидродинамические и гид-

ростатические нагрузки, включая

противодавление воды. Кроме того,

были отмечены температурные воз-

действия, вызывающие в массивных

сооружениях напряжения.

В ходе второго этапа вычислений

на основании переменных конеч-

ных температур и коэффициентов

теплопроводности и теплоемкости

отдельных материалов было опре-

делено распределение температур,

в общей сложности, на

26 временных пунктах

в течение месяца. В пос-

ледней временной точ-

ке было рассчитано рас-

пределение температур

февраля, которое в

свою очередь, вызывает

поверхностные растя-

гивающие напряжения.

Гидравлические и

термические нагрузки

были приняты во вни-

мание на третьем этапе

статического расчета.

Для бетонного тела пло-

тины в соответствии

с требованиями DIN

19700, часть 11 была вы-

брана модель, не допус-

кающая напряжений в вертикаль-

ном направлении.

В первом расчетном случае (ос-

новное сочетание нагрузок при пол-

ном напоре) результаты расчета по-

казали незначительное раскрытие

стыков.

Расчеты для второго расчетно-

го случая (основное сочетание +

сейсмика) показали, что первая

собственная частота колебаний со-

оружения была равна f = 4,01 Гц.

Для подтверждения были сведены

внутренние силы для всех форм

колебаний сумм квадратного сече-

ния (SRSS-Regel – корень из суммы

квадратов). Полученные таким об-

разом вертикальные напряжения и

раскрытия швов соответствуют уже

упомянутой норме, в связи с чем не-

соосность равнодействующих сил,

вероятнее всего, будет составлять

не более трети ширины поперечного

профиля плотины (ðèñ. 2).

Рис. 1: Плотина Бу Ханифия: расчетный случай

№1 – только гидростатическое давление при

полном напоре

Standsicherheitsnachweise an vier algerischen Talsperren

Die RWG Ruhr-Wasserwirtschafts-GmbH, ein Tochterunternehmen des Ruhrverbands, aus

Essen hat in einem Konsortium mit dem In genieurbuero Fichtner aus Stuttgart und Ham-

za Associates aus Kairo im Jahr 2004 vom algerischen Talsperrenministerium ANBT den

Auftrag erhalten, eine vertiefte Ueberpruefung und gegebenenfalls Sanierung von vier al-

gerischen Talsperren durchzufuehren. Im Einzelnen handelt es sich hierbei um die Talsperren

Bou Hanifia, Djorf Torba, Beni-Bahdel und Meffrouch. Die vier Talsperren werden durch zur

Bauzeit besonders innovative Absperrbauwerke eingestaut. In den folgenden Ausfuehrun-

gen werden die an den vier Standorten durchgefuehrten Standsicherheitsnachweise vorge-

stellt, die fuer die beiden Absperrbauwerke Bou Hanifia und Djorf Torba durch die RWG und

fuer die beiden Gewoelbereihenmauern Beni-Bahdel und Meffrouch durch das Institut fuer

Strukturmechanik der Bauhaus-Universitaet Weimar erstellt wurden.

Structural Safety Assessment of four Algerian Dams

The RWG Ruhr-Wasserwirtschafts-GmbH in Essen, Fichtner GmbH Consulting Engineers in

Stuttgart and Hamza Associates in Cairo were commissioned to accomplish a detailed in-

spection and structural safety assessment of four Algerian dams by the Algerian dam ope-

rator ANBT in 2004. The four dams comprise Bou Hanifia, Djorf Torba, Beni-Bahdel and

Meffrouch. They were particularly innovative dam structures at their construction time. The

two last mentioned dams are multiple-arch dams designed by Alfred Stucky, the rock fill

dam of Bou Hanifia is one of the early dams with a concrete facing and Djorf Torba is a

37 m high concrete gravity dam. Prior to structural safety assessment, a hydrological and

geological examination and an assessment of possible earthquake loading scenarios had to

be done. The results from numerical simulations done for the structural safety investigation

are presented in the following paper.

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

4 Многоарочные плотины

Бени–Бадель и Меффроуч

Конструкция обеих многоарочных

плотин представляет собой опор-

ные железобетонные контрфорсы

с арочными железобетонными пе-

рекрытиями пролетов между ними.

Высота контрфорсов по гребню h и

d и диаметр арочных перекрытий

составляет: h = 55 м и d = 20 м для

плотины Бени-Бадель, и h = 35 м и

d = 25,0 м для плотины Meффроу.

При строительстве плотины

Бени-Бадель были использованы

вертикальные опорные Контрфор-

сы. Толщина контрфорсов по гребню

плотины – 3 м, в основании – 4,80 м.

Опорные контрфорсы достигают

высоты 55,00 м, ширина контрфор-

са по основанию – 57 м. Заложение

верховой грани состав-

ляет b/h=0,950. На эти

покатые площадки опи-

раются элементы ароч-

ных перекрытий полу-

круглой формы (угол

раскрытия 2ϕ = 168°).

Арочные перекрытия

имеют толщину по вер-

хнему краю 0,62 м и

внизу 1,20 м.

Длина русловой бе-

тонной части плотины

Меффроу составляет в

общей сложности 581

м. Каждый арочный

свод перекрытия пред-

ставляет собой раз-

деленную почти по

центру цилиндрический свод-обо-

лочку (угол раскрытия 2ϕ=12 6 °) с

радиусом 12,60 м. Толщина ароч-

ного перекрытия постоянна как

по дуге, так и по высоте и равна

0,80 м. Края свода упираются в на-

ходящиеся с обеих сторон треу-

гольные контрфорсы. Небольшие

сегменты арочные перекрытий у

гребня плотины расположены стро-

го вертикально и лишь незначитель-

но возвышаются посередине между

двумя контрфорсами, но отчетливо

поднимаются над уровнем ВБ. Ниже

уровня верхнего бьефа ось арочного

перекрытия расположена под углом

в 38,9° по отношению к вертикали. Со

стороны ВБ контрфорсы опираются

на упорный зуб, который кругооб-

разно изогнут в плане между двумя

контрфорсами. Ширина пролета

между контрфорсами 25,00 м, толщи-

на контрфорсов состав-

ляет 2,50 м, ширина по

основанию – 26,30 м, а

высота – 15,27 м. Харак-

теристики материалов,

из которых изготовлены

бетонные сооружения

и параметры основа-

ния были установлены

посредством гамма-де-

фектоскопии (система

Schmidhammer), а так-

же с помощью геологи-

ческих изысканий, ко-

торые еще полностью

не завершены.

На обеих плотинах

было исследовано на-

пряженно-деформиро-

ванное состояние как при статичес-

ких нагрузках (собственный вес,

гидростатическое давление, темпе-

ратурные воздействия), так и при

динамических нагрузках – сейсми-

ческое воздействие с периодом пов-

торяемости раз в 2500 лет. При этом

по договоренности с заказчиком

были применены немецкие стандар-

ты DIN 19700 и 19702.

Для числовой модели в обоих

случаях из общей структуры соору-

жения выделены три арочных обо-

лочки вместе с контрфорсами в ка-

честве модели конечных элементов.

Общая длина стены рассматрива-

лась вместе с окружающим грунто-

вым массивом (около четырех длин),

глубина которого равна трехкратной

высоте плотины. Было предложено

монолитное сцепление между фун-

даментами и грунтом основания.

На ðèñ. 3 показано распределе-

ние напряжений σ

[Н/м

] плотины

Бени-Бадель для расчетного случая

№3: собственный вес сооружения,

гидростатическое давление, тем-

пературное и сейсмическое воз-

действие. Можно констатировать,

что даже в этом случае напряже-

ния остаются незначительными,

максимальная величина достигает

=14 Н /м м

. При этом следует при-

нять во внимание, что максималь-

ные величины на основе числовых

единичных эффектов имеют место,

например, на углах входа, поэтому

при расчетах следует брать усред-

ненные значения.

Рис. 2: Плотина Дьорф Торба — сейсмическое

воздействие, вертикальные напряжения в гори-

зонтальных швах

Рис. 3: Плотина Бени-Бадель: распределение

вертикальных компонентов напряжения σ

[Н/м

]

в варианте измерения сейсмической нагрузки

[1] Hartung, F.: Eindruecke vom Talsperren-

bau in Algerien. In: Der Bauingenieur 31

(1956), Heft 7, S. 245 – 257.

Литература

Авторы

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Koenke

Bauhaus-Universitaet Weimar

Marienstrasse 15

99423 Weimar

carsten.koenke@bauing.uni-weimar.de

Dipl.-Ing. Frank Roesler

Ruhrverband

Abteilung Talsperrenueberwachung

und Geotechnik

Kronprinzenstrasse 37

45128 Essen

frank.roesler@ruhrverband.de

Напряжение

Расчет при сейсми-

ческом воздействии

Оболочка арочного

перекрытия

Максимум

Минимум

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

Мартин Виланд, Мартин Эммер и Рональд Руосс

249-метровая арочная плотина Деринер в Турции

Арочная плотина Деринер высотой 249 м с двойным искривлением находится на реке Кору на северо-

востоке Турции. Ее строительство будет завершено в 2010 г. В апреле 2007 г. высота плотины достигла

53 м. По проекту безопасность плотины обеспечивается даже при пиковом ускорении во время зем-

летрясения в 0,35 g и максимальном расходе паводка (Q = 10 110 м

/с). Подземное здание ГЭС обо-

рудовано четырьмя вертикальными радиально-осевыми турбинами общей мощностью 670 МВт.

1 Арочная плотина Деринер

Арочная плотина Деринер нахо-

дится в низовье реки Кору на се-

веро-востоке Турции. Плотина с

двойным изгибом имеет высоту

249 м, длину по гребню 721 м и об-

щий объем уложенного бетона

равный 3,5 млн. м

. В основании ее

максимальная толщина равна 60 м,

а толщина по гребню в центре пло-

тины 12 м. Подземная гидроэлек-

тростанция (габариты: ширина

x длина x высота – 20 x 126 x 45)

оборудована четырьмя радиально-

Рис. 1: Общий план плотины Деринер: 1 — арочная

плотина, 2 — туннели строительного водосброса,

3 – туннели паводкового водосброса, расположен-

ные в береговых устоях, 4 — водозаборное соору-

жение, 5 — водохранилище, 6 — кабель-кран

осевыми турбинами мощностью в

167,5 МВт каждая. Общий план со-

оружения представлен на ðèñ. 1.

Бассейн водосбора реки Кору со-

ставляет 18 390 км

, а средний при-

ток в реку Деринер – 154 м

/с. У во-

дохранилища будет объем 1,97 км

полезный объем – 0,96 км

и площадь

зеркала – 26,4 км

при полном запол-

нении. Направляющий туннель име-

ет U-образную форму, диаметр его

11,6 м, длина – 912 м. Расчетный стро-

ительный расход в 1804 м

/с гаран-

тирует, что и в период строительства

паводковые воды даже при наводне-

нии 1% обеспеченнос-

ти могут быть отведе-

ны. Это имеет значе-

ние, если принять во

внимание относитель-

но длительные сроки

строительства подпор-

ного сооружения.

Основание плоти-

ны преимущественно

состоит из гранодио-

рита, который подвер-

гался тектоническому

воздействию, и про-

тянут от диабазовых

даек. Над крепким

скальным массивом

находится слой сла-

бо- и сильнотрещино-

ватой скалы. Геофи-

зические измерения

показывают значи-

те льное разл ичие меж-

ду скоростями волн

в слабой и здоровой скалах. Основа-

ние плотины находится в здоровой

скале, что частично обуславливало

значительные глубины выемки.

Плотина Деринер строится с на-

чала 1998 г. Выемка под основание

плотины была закончена в конце

2005 г., после этого было проведено

бетонирование первых блоков пло-

тины. В конце апреля 2007 г. плотина

достигла высоты в 53 м (ðèñ. 2). Кон-

сорциум, состоящий из турецких и

российских строительных подряд-

чиков, а также группа швейцарских

фирм по производству электромеха-

нического оборудования отвечают

за строительство всего сооружения.

Находящийся в процессе строи-

тельства проект основан на проекте,

который в начале 1990-х гг. разраба-

тывался фирмами Poeyry Energy (ра-

нее Electrowatt-Engineering) и Dolsar-

Engineering из Анкары. Консорциум,

состоящий из Poeyry Energy и Dolsar,

как консультант заказчика – гене-

рального правления гидротехничес-

ких сооружений DSI – отвечает за

контроль и качество строительства.

2 Паводковый водосброс и

безопасность при наводнениях

Паводковый водосброс состоит, с од-

ной стороны, из двух регулируемых

водосбросных туннелей на левом и

правом берегах с общей пропускной

способностью (Q) 2 x 1125 м

/с и, с

другой стороны, из восьми регулиру-

емых с помощью плоских затворов

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

водопропускных секций плотины.

Водосбросные туннели паводково-

го водосброса представляют собой

наклонные туннели диаметром 8 м

и длиной от 420 м до 446 м. На кон-

це находится носок-трамплин. Этот

паводковый водосброс приводится

в движение симметрично, и его про-

пускная способность достаточна для

предотвращения угрозы паводка 1%

обеспеченности. Восемь водопро-

пускных сооружений в нижней час-

ти плотины имеют общую пропуск-

ную способность (Q) 7 000 м

/с. При

наводнении с периодичностью раз в

10 00 0 лет, когда расход (Q) дост и-гае т

9 250 м

/с требуется одновременное

введение в действие водосбросных

туннелей и водосбросных секций в

теле плотины.

Для обоснования параметров

обоих туннелей паводкового водо-

сброса были проведены обширные

гидравлические исследования на

моделях. При этом речь шла о том,

могут ли возникать кавитационные

эффекты в изгибах туннеля при вы-

соких ожидаемых скоростях в слу-

чаях частичного и полного их напол-

нения. Модельные гидравлические

исследования показали, что отрица-

тельного давления в туннелях мож-

но избежать посредством аэрации.

3 Арочная плотина

и сейсмостойкость

Решающим критерием обоснования

расчета параметров плотины явля-

ется сейсмическая оценка. Для это-

го, согласно ICOLD [1], учитывалось

расчетное землетрясение (OBE) с

периодичностью один раз в 145 лет

и максимальное расчетное земле-

трясение (SEE) с периодичностью

раз в 10 000 лет. Параметры МРЗ

(максимальное расчетное землетря-

сение) определялись на основе ана-

лиза уровня сейсмической угрозы.

Горизонтальное пиковое ускорение

проектного землетрясения (OBE) на

наружной поверхности скалы со-

ставляет 0,15 g, а ускорение макси-

мального расчетного землетрясения

(SEE) – 0,35 g.

3.1 Расчетное землетрясение

При комбинации нагрузок для рас-

четного землетрясения (OBE) необ-

ходимо не допустить

образования в теле

плотины трещин,

требующи х ремон та.

Под этим подразуме-

вается, что плотина

«должна вести себя»

линейно-эластич-

но, а максимальные

растягивающие на-

пряжения в массиве

бетона должны быть

ниже динамичного

предела прочности

бетона. Тем не ме-

нее, сейсмические

расчеты показыва-

ют, что в средней

части плотины и

вдоль напорной и

низовой граней, а также между пло-

тиной и скалой основания при рас-

четном землетрясении (OBE) возни-

кают растягивающие напряжения,

превышающие динамичный пре-

дел прочности бетона примерно на

4 МПа. Это означает, что в верхней

части плотины вдоль вертикальных

осадочных швов и горизонтальных

рабочих швов бетонирования могут

возникать «кратковременные» тре-

щины, которые вновь заделывают-

ся после землетрясения. Такие рас-

четные напряжения нежелательны

для арочной плотины. Эти высокие

напряжения следует нивелировать

посредством соответствующих ме-

тодик. Например, это:

• оптимизация геометрии ароч-

ной плотины таким образом,

чтобы имеющие большое значение

формы собственных колебаний

были бы симметричны или, соот-

ветственно, асимметричны. Таким

образом, можно избежать появле-

ния локально повышенных напря-

жений, и плотина будет «вести

себя хорошо» при землетрясении;

• по возможности следует прини-

мать массивный гребень плотины

с необходимым его укреплением

на участке у берегового устоя.

Несмотря на повышенную массу

можно констатировать, что жест-

кость на изгиб укрепленного греб-

ня плотины увеличивается быст-

рее, чем силы инерции, и, таким

образом, динамичные напряже-

ния в области гребня снижаются.

В целом же, динамичный предел

прочности массива бетона – это

функция предела прочности на

сжатие, поэтому при повышении

предела прочности бетона в крити-

Die 249 m hohe Deriner-Bogenmauer in der Tuerkei

Die 249 m hohe doppelt gekruemmte Deriner-Bogenmauer liegt am Fluss Coruh im Nord-

osten der Tuerkei und soll 2010 fertig gestellt sein. Im April 2007 hat die Mauer eine Hoehe

von 53 m erreicht. Massgebend fuer die Bemessung war das Sicherheitsbeben mit einer

maximalen Bodenbeschleunigung von 0,35 g und das Bemessungshochwasser mit 10 110

/s. Das Kraftwerk ist unterirdisch angeordnet und besteht aus vier vertikalen Francis-

Turbinen mit einer Gesamtleistung von 670 MW.

The 249 m High Deriner Arch Dam in Turkey

The 249 m high, double-curvature Deriner arch dam is located at the Coruh River in the

Northeast of Turkey and shall be completed in 2010. In April 2007 dam construction has

reached a height of 53 m. For the dam design the safety evaluation earthquake with a

peak ground acceleration of 0.35 g and the maximum flood of 10 110 m

/s had to be con-

sidered. The underground powerhouse will have four vertical axis Francis turbines with a

total power generation capacity of 670 MW.

Рис. 2: Работы по строительству плотины, конец

апреля 2007 (высота 53 м)

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

ческих зонах может повыситься и

прочность при растяжении. То есть

поиск оптимального решения в от-

ношении плотины включает в себя

решения по оптимизации как гео-

метрии, так и прочностных характе-

ристик бетона.

3.2 Максимальное расчетное

землетрясение

Повреждения плотины при макси-

мальном расчетном землетрясении

(SEE) допускаются тогда, когда они

не приводят к катастрофическому

сбросу из водохранилища.

Поэтому необходимо подтверж-

дение того, что плотина, имеющая

трещины, в состоянии удерживать

напор воды до тех пор, пока уровень

воды в водохранилище не будет

снижен.

При максимальном расчетном

землетрясении (SEE) с максималь-

ным ускорением в 0,35 g динамич-

ная прочность при растяжении

массивного бетона в верхней части

гребня плотины явно превышается.

В дальнейшем даже при принятии

конструктивных мер динамичные

напряжения при растяжении не-

льзя редуцировать в достаточной

степени. Снизить максимальные на-

пряжения при растяжении до допус-

тимых показателей можно только

за счет демпфирования. Измерения

вибрации у высоких арочных плотин

показывают значения демпфирова-

ния менее 1%. Так как необходимые

сведения о сильном землетрясении

отсутствуют, то исходя из данных о

взаимодействии между водохрани-

лищем и грунтом, а также основы-

ваясь на нелинейных эффектах при

расчетах землетрясения, за основу

часто берутся значительно более

высокие значения демпфирования.

При максимальном расчетном

землетрясении (SEE) следует учи-

тывать, что осадочные швы раскры-

ваются, и вдоль рабочих швов появ-

ляются трещины.

Немногочисленные наблюдения

за повреждениями бетонных пло-

тин вследствие землетрясений, а

также экспериментальные исследо-

вания показывают, что раскрывают-

ся лишь некоторые вертикальные

швы. То же самое касается трещин

вдоль горизонтальных швов [2].

При оценке сейсмостойкос-

ти плотины следует исходить из

того, что отдельные блоки плоти-

ны в области гребня отделены от-

крытыми вертикальными швами,

а также горизонтальными швами

от остальной части плотины. Поэ-

тому необходимо показать, что от-

дельно стоящие блоки плотины не

могут падать в водохранилище: по

причине геометрии плотины и об-

разования осадочных швов свобод-

ные блоки арочной плотины могут

падать только в водохранилище. В

дальнейшем будет рассматривать-

ся вопрос о доказательстве сейсмо-

стойкости блока высотой 20 м ароч-

ной плотины Деринер. При этом

предполагается, что блок не будет

закреплен по бокам. Для выбора

критического блока в начале прово-

дится линейно-эластичный расчет

землетрясения. На основе графика

максимальных ускорений и дина-

мичных основных напряжений при

растяжении можно сделать вывод о

том, что блоки в середине гребня во

время сильного землетрясения мо-

гут отделиться. Наиболее важные

результаты динамичного расчета

стабильности критического блока

плотины при наполненном водо-

хранилище следующие:

• максимальное смещение сколь-

жения вследствие максимального

расчетного землетрясения (SEE) в

0,35 g и длительностью 32 секун-

ды составляет 35 см, а при пустом

водохранилище – 105 см. При

заполненном водохранилище

напор воды затрудняет движение

в направлении водохранилища.

Так как плотина в области гори-

зонтальных швов имеет толщину

17 м, коэффициент устойчивости

блока плотины после землетрясе-

ния достаточен;

• блок плотины при заполнен-

ном водохранилище испытывает

«опрокидывающие» движения с

максимальной шириной трещины

в основании блока 14 см с напор-

ной стороны и 10 см – со стороны

нижнего бьефа;

• максимальные движения блока

в значительной степени зависят

от толчка землетрясения, поэто-

му анализ как можно большего

числа землетрясений чрезвычай-

но важен.

4 Заключение

Арочная плотина Деринер нахо-

дится в настоящее время в стадии

строительства. При определении

размеров плотины решающую

роль играли такие факторы, как

наводнение и землетрясение. При

максимальном наводнении высво-

бождается энергия до 20 гигаватт,

которая должна контролироваться

и рентабельно выводиться. Для де-

тального исследования этих аспек-

тов проводились гидравлические

исследования моделей паводкового

водосброса.

При максимальном расчетном

землетрясении с горизонтальным

ускорением грунта в 0,35 g следу-

ет принимать в расчет открытие

осадочных швов и образование

отдельных трещин вдоль рабочих

швов бетонирования. Надежность

плотины с наличием трещин сле-

дует подтверждать. Для этого в ка-

честве простой модели подходит

отдельно стоящий блок плотины в

области гребня.

Проведенные исследования по-

казывают, что арочная плотина Де-

ринер может успешно противосто-

ять значительным экстремальным

воздействиям.

[1] ICOLD: Selecting Seismic Parameters for

Large Dams - Guidelines. ICOLD-Bulletin

72 (1989).

[2] Malla, S.; Wieland, M.: Simple Model

for Safety Assessment of Cracked Con-

crete Dams Subjected to Strong Ground

Shaking. In: Proc. 21st Int. Congress on

Large Dams, Montreal, 2003.

Литература

Авторы

Dr. Martin Wieland

Dipl.-Ing. Martin Aemmer

Dipl.-Ing. Roland Ruoss

Poeyry Energy AG

Hardturmstrasse 161

CH-8037 Zuerich

martin.wieland@poyry.com

martin.aemmer@poyry.com

roland.ruoss@poyry.com

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

Архибальд Рихтер и Генрих Арнольд

Применение инъекционных методов при

герметизации и устройстве гидроизоляции на

ГЭС и плотинах в России и государствах СНГ

В данной статье представлены несколько проектов, осуществленных как в России, так и в госу-

дарствах СНГ. Наиболее сложная проблема была решена на Усть-Илимской ГЭС в Сибири, где

раскрытие швов привело к вымыванию из них материала уплотнения швов и, соответственно, к

нарушению герметичности сооружения. Герметичность швов была восстановлена инъектирова-

нием в швы специально разработанных инъекционных растворов. Благодаря этому удалось ре-

шить задачи, связанные как с герметизацией и уплотнением, так и с раскрытием швов плотины.

Другим интересным проектом являются работы по уплотнению грунтов земляной плотины, про-

водимые на Кривопорожской ГЭС, где для инъектирования был использован гибридный раствор,

состоящий из цемента и специальных полиуретановых материалов. В заключение описаны рабо-

ты по герметизации кабельного тоннеля на Бурейской ГЭС в Амурской области.

1 Усть-Илимская ГЭС

Швы бетонной плотины Усть-Илим-

ской ГЭС на реке Ангара утратили

герметичность. В некоторых мес-

тах фильтрационный расход через

швы достигал 11 л/с при давлении

7 бар. Вода проникала в смотровую

шахту, имеющую внутренний диа-

метр всего лишь 0,90 м. Деформа-

ционные швы плотины перекрыли

двумя латунными шпонками с рас-

стоянием 0,88 м между ними и гер-

метичным заполнителем шва. Было

очевидно, что не только материал

заполнения шва, но и даже бетон

в месте контакта со шпонками был

вымыт. Требовалось заново выпол-

нить герметизацию. Кроме того,

необходимо было обновить битум-

ные маты с внешних сторон швов.

Работы могли проводиться только

изнутри наблюдательной шахты,

которая из-за небольшого диаметра

оставляла очень мало свободного

пространства для проведения ра-

бот или совсем не давала возмож-

ности отвести поступающую под

большим давлением воду. В связи

с этим необходимо было провести

Рис. 1: Герметизация деформационного шва

на Усть-Илимской ГЭС в Сибири

следующие производственные ме-

роприятия.

1. Пробурить скважины для сни-

жения гидростатического

давления из шахты направ-

ленно между обеими

уплотнительными шпон-

ками. В каждое из этих

отверстий был установлен

пакер SK-40, а на инъекци-

онном патрубке – запор-

ный вентиль. Таким обра-

зом, отверстие было подго-

товлено для нагнетания, но

пока служило только для

снижения гидростатичес-

кого давления. Благодаря

этому была обеспечена

надежность работ в шахт-

ном стволе.

2. Для шахты были изго-

товлены подогнанные

точно по размеру стальные

уплотнительные пласти-

ны, каждая из которых

была оснащена двумя

инъекционными трубка-

ми. Пластины закрепили

в шахте по нисходящей

сверху вниз, вдоль верти-

кальных швов. При этом разные

по длине инъекционные трубки

вдавались внутрь негерметичных

ГИДРОТЕХНИКАГидросооружения 2/2009

швов. Дополнительно один шланг

для снижения гидростатического

давления на уплотнительной плас-

тине отводил продолжавшую пос-

тупать воду (ðèñ. 1).

3. На следующем этапе работ через

встроенную на стальной пласти-

не инъекционную трубку в шов

между стальной уплотнительной

пластиной и второй (внутренней)

уплотнительной шпонкой инъек-

тировали смолу CarboPur, таким

образом, была проведена гермети-

зация.

4. Запорные вентили на отвер-

стиях скважин для снижения гид-

ростатического давления в про-

странстве шва между шпонками

теперь были закрыты, чтобы прове-

рить: не поступает ли вода в шахту.

Там, где это было необходимо, про-

вели повторное нагнетание.

5. После проверки герметичности

– с целью обновления гермети-

зирующего состава шва – через

скважины для снижения гид-

ростатического давления в про-

странстве между первой и вто-

рой уплотнительными шпонками

ввели медленно затвердевающую

и эластичную полиуретановую

смолу CarboCrackSeal.

6. Благодаря этим мероприятиям

появилась возможность сократить

фильтрационный расход через

швы с 11 л/мин до 0,05 л/мин для

шва в целом.

После успешной герметизации

первого стыка в 2004 г. служба экс-

плуатации решила герметизировать

таким образом все швы плотины. В

настоящее время работы ведутся пи-

терской компанией «ГЕОИЗОЛ».

2. Кривопорожская ГЭС

Грунтовая плотина Кривопорож-

ской ГЭС в Карелии дала течь

с расходом примерно 50 л/мин.

Фильтрационный поток обусловил

возрастание суффозии грунтов из

тела плотины. Противофильтраци-

онные мероприятия в этом случае

предполагали цементацию тела

плотины от гребня до основания.

Однако из-за высокой скорости

фильтрационного потока цемент-

ный раствор не успевал схватиться

и вымывался потоком. Ситуацию

удалось исправить благодаря про-

ведению следующих мероприятий.

1. Из-за наличия больших объ-

емов пустот инъектирование с

использованием только полиуре-

тановых смол было бы слишком

затратным, поэтому более пред-

почтительным оказалось исполь-

зование раствора или геля сме-

шанного типа. Цемент и полиуре-

тановую смолу надлежало вводить

одновременно.

2. Для этого к нагнетательному

рукаву был подсоединен насос

для нагнетания полиуретановой

смолы. Расход подаваемой смолы

можно было регулировать через

вентиль (ðèñ. 2).

3. Подача цемента была возобнов-

лена. Как только обнаруживалось,

что цемент вымывается, к цемен-

тной смеси добавлялась полиуре-

тановая смола в пропорции цемен-

та к полиуретану от 1:1 до 1:10.

Наряду с этим с помощью допол-

нительного катализатора можно

было регулировать скорость реак-

ции смолы.

4. Как только смола реагировала,

и цемент больше не вымывался,

подача смолы сокращалась вплоть

до полного прекращения и исполь-

зования только одного цемента.

5. При возобновлении вымывания

цемента вновь добавлялась смола.

Таким образом, фильтрацион-

ный расход через тело плотины был

сокращен с 50 л/мин до менее 2 л/

мин. Благодаря этому дальнейшее

разрушение плотины вследствие

выноса грунта было приостановлено

на длительный срок.

3 Реконструкция кабельного

туннеля ГЭС в Амурской

области

Трансформаторная подстанция Бу-

рейской ГЭС размещена на проти-

воположной стороне расположенной

Рис. 2: Цементация с использовани-

ем полиуретановых смол на Криво-

порожской ГЭС в Карелии

Abdichtung von Talsperren und Daemmen

in Russland und den GUS-Staaten mittels Injektionen

Der vorliegende Vortrag stellt exemplarisch einige Projekte in Russ land und den GUS-Staaten

mit Dichtungsproblemen und erfolgreich durchgefuehrten Massnahmen vor. So konnten

bei einem Wasserkraftwerk in Sibirien die undichten Dehnfugen der Betonmauer mittels

Injektionstechniken und speziell entwickelter Injektionsprodukte abgedichtet werden. Des

weiteren werden Abdichtungsarbeiten an einem geschuetteten Damm in Karelien mit soge-

nannten Hybridsystemen, bestehend aus Zement und speziellen Polyurethaninjektionsstof-

fen, vorgestellt. Schliesslich wird die Abdichtung eines Kabeltunnels einer Wasserkraftanlage

in der Region Amurskaja Oblosk aufgezeigt.

Sealing of Hydropower Plants and Dams by

Injection in Russia and the Countries of the CIS

The lecture presents a number of projects in summarised form. The most difficult problem

that had to be solved was in the hydroelectric power station on the Angerer river in the town of

Ust-Iljnsk, Siberia. The expansion joints on the concrete wall were not watertight. The sealing

material that had been washed out of the expansion joints was replaced by injection products

specifically developed for this application, using special injection techniques. The injection

products were able to fulfil both their tasks, namely of allowing expansion and of providing a

watertight seal. A further interesting project was sealing work using so-called hybrid systems,

consisting of cement and special polyurethane injection products. This work was done in the

Republic of Karelia at the Krivoporosskaya hydroelectric power station, to the south-west of

Kem. The third project relates to the hydroelectric power station on the Bureya river in the

Amurskaya Oblosk region. The target of the sealing measures were a tunnel for the high ten-

sion cables from the generators to the transformer stations located on a mountain.

ГИДРОТЕХНИКА Гидросооружения 2/2009

рядом горы. Токопровод от генерато-

ров к трансформаторам находится в

специально проложенном для него

тоннеле. Тоннель через шахту соеди-

нен с трансформаторной подстанци-

ей. В данном случае речь идет о горе с

нарушенной геологической структу-

рой, сильнотрещиноватой. Поэтому

уже во время проведения строитель-

ных работ следовало предусмотреть

то обстоятельство, что вода сможет

проникнуть через нарушенную

структуру горы в тоннель, как толь-

ко река будет запружена. Кроме

того, выбранный способ крепления

оставлял возможность возникнове-

ния пустот между обделкой тонне-

ля и горой. Ранее запланированная

дополнительная укрепительная це-

ментация вызвала бы необходимость

бурения множества скважин через

обделку тоннеля, что, в свою оче-

редь, привело бы к ослаблению об-

делки. Герметизация с использова-

нием инъекционных смол во время

проходки могла бы сильно замедлить

строительные работы. Инъектиро-

вание после завершения работ во

введенном в эксплуатацию тоннеле в

связи с наличием 500-кВ кабеля мог-

ла быть небезопасной для жизни.

Герметизация была осуществле-

на благодаря выполнению следую-

щих рабочих операций.

1. В каждом сегменте облицовки

тоннеля и шахты перед укладкой

бетона устанавливались инъек-

ционные пакеры. Был применен

один большой пакер для инъек-

тирования цемента и множество

более мелких для дополнительно-

го инъектирования полиуретано-

вых смол. Данный вид установки

пакеров и прокладка инъекцион-

ных рукавов требовали немного

времени, и это не мешало проведе-

нию восстановительных работ.

2. После завершения бетонных ра-

бот на сегменте вначале вводил-

ся цемент для заполнения пустот

между обделкой и породой. Затем

через оставшиеся пакеры инъек-

тировалась смола CarboPur WX.

При этом был герметизирован не

только участок между облицов-

кой и горой. Уже имевшиеся в бе-

тоне мельчайшие трещинки были

также заполнены смолой и герме-

тизированы (ðèñ. 3).

3. На участке деформационных

швов между отдельными сегмен-

тами была применена уплотни-

тельная шпонка, но она не гаран-

тировала герметичность, поэтому

в местах деформационных швов

инъекционные пакеры устанавли-

вались внахлестку. Затем дефор-

мационный шов покрывался элас-

тичной смолой CarboCrackSeal.

В связи с тем, что инъекционные

работы проводились только после

установки каждого сегмента, стро-

ительные работы были приоста-

новлены ненадолго, лишь на время

установки пакеров для инъектиро-

вания. При строительстве шахты

технология проведения работ была

аналогичной.

Работы успешно завершены.

После запруживания водохранили-

ща туннель и шахта полностью со-

хранили герметичность.

Рис. 2: Герметизация облицовки туннеля с применением пакеров для инъек-

тирования и полиуретановых смол

Авторы

Dr.-Ing. Archibald Richter

Dipl.-Ing. Heinrich Arnold

Minova CarboTech GmbH

Am Technologiepark 1

45307 Essen

Archibald.Richter@minova-ct.com

Heinrich.Arnold@minova-ct.com

Подпишитесь на рассылку:

info@hydro-info.info