надежность и безопасность морских грунтовых плотин

УДК 627.8
НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ МОРСКИХ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН
ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЭС
О.В. Никифорова – инженер
ОАО «НИИ энергетических сооружений» Научно-технический центр приливной
энергетики¸ г. Москва, Россия
Надежность и безопасность всего комплекса сооружений ПЭС зависит от
надежности ее основных сооружений, одним из которых является отсекающая плотина.
При повреждении элементов плотины также нарушаются нормальные условия
эксплуатации ПЭС.
Одним из главных требований к отсекающей плотине является водонепроницаемость
и устойчивость против волнового и ледового (в северных условиях) воздействия.
Считается, что водонепроницаемость плотины ПЭС требуется только по условиям
суффозионной прочности, так как фильтрация ввиду неограниченного объема морского
бьефа не имеет значения. В реальных условиях фильтрация через плотину ПЭС приводит
к уменьшению напоров и объема полезной сливной призмы, а, соответственно, к
уменьшению выработки ПЭС, то есть к уменьшению ее энергетических параметров.
Знакопеременность напора оказывает отрицательное влияние на суффозионную
устойчивость откосов плотины, которая в отличие от уплотняющего воздействия малой
волны на пляжный откос «раскачивает» мелкие частицы грунта. Быстрое изменение
напора, полная и скорая по времени сработка бассейна ПЭС, особенно ощутимая при
двусторонней работе ПЭС, нехарактерная для условий нормальной эксплуатации речных
ГЭС, накладывают дополнительные требования в отношении предотвращения суффозии
и оплывания откосов.
При производстве работ возникают трудности, обусловленные приливными
явлениями. В СССР и Франции были проведены модельные исследования по изучению
методов производства работ по наброске в текущую воду, выполненные специально для
условий ПЭС Ранс. Результаты этих исследований показывают, что взвешивание камня
наброски фильтрационным потоком приводит к оплыванию откоса и образованию
дополнительного банкета, а в дальнейшем к сносу камня. В условиях прилива это явление
вследствие знакопеременного напора наблюдается на обоих откосах наброски и
разрушение происходит интенсивнее. Поэтому практически требуется специальный
подбор крупности материала для каждой фазы наброски.
Также морские плотины, в отличие от речных, подвергаются постоянному
воздействию морских волн существенно большей высоты, чем на водохранилищных
плотинах и большему по времени воздействию волн. Кроме того, морской откос
отсекающей плотины будет испытывать достаточно серьезное ледовое воздействие. В
связи с вышесказанным большое значение приобретает правильность конструктивных
решений по креплению откосов морских плотин. Определение нагрузок и воздействий от
волн на морские гидротехнические сооружения откосного профиля, а также оценка
устойчивости крепления откоса (подбор крупности материала) производится на основании
СНиП 2.06.04-82.
Морские плотины или отсечные дамбы, как их часто называют, в составе ПЭС
имеют ряд особенностей в работе и в технологии возведения, что тесно взаимосвязано.
Первая особенность в работе плотины – плотина работает в двустороннем режиме:
напор возникает то со стороны моря, то со стороны бассейна, созданного плотиной.
Вторая особенность: снижаются требования к водонепроницаемости дамбы, так как
требуется, чтобы фильтрационный расход через створ был несоизмеримо мал в сравнении
с полезным объемом бассейна, и тем самым, фактически, не снижался бы напор на
агрегаты ПЭС.
Третья особенность состоит в том, что плотина строится в воде, так как создание
перемычки и осушение котлована не имеет смысла – каждая перемычка это такая же
плотина.
Грунтовая плотина строится отсыпкой грунта в воду. Следовательно, пропадет
возможность уплотнения грунта. Возникает проблема с отсыпкой грунта для
противофильтрационного устройства в теле плотины.
Для оценки плотности сложения горной массы при отсыпке ее пионерным способом
с берегов автосамосвалами можно воспользоваться расширенной на гравийно-галечниковый грунт и горную массу методикой В.Н.Маслова, разработанной для песков.
Результаты решения фильтрационных задач в однородной плотине в виде картин
распределения изохром фильтрационного напора для характерных моментов времени 9,
14, 16 и 20 ч представлены на рис. 1. Этот рисунок лишний раз подтверждает, что перепад
между морем и бассейном и бассейном и морем очень мал. Глубина основания принята
51,0 м со стороны бассейна и 59,0 м со стороны моря.
Напоры (подрисуночная цветная шкала (рис. 1) определялись относительно
горизонтальной плоскости сравнения, проходящей через отметку 30,0.
Для перехода в фильтрационные уровни, данные в реальных отметках, необходимо
вычесть из уровней, указанных на цветовой шкале, величину 30,0.
Таким образом, плотина должна иметь противофильтрационное устройство в виде
ядра или диафрагмы, так как напор меняет направление со стороны моря и бассейна и
экраны использоваться не могут.
Наиболее приемлемым решением представляется замыв горной массы песком. Тем
более, что опыт замыва был накоплен в результате исследований ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и НИС института «Гидропроект» при проектировании Асуанской плотины. В
последствии происходил замыв камня песком при создании «пальмовых островов» в
Арабских Эмиратах.
Альтернативой применению крупного камня является применение различных гибких
проницаемых креплений, разрабатываемых в разных странах, например гибкие крепления
в виде асфальтобетонных (примененных в порту Рени) и железобетонных плит
(разработка ЦНИИС'а), в виде специальных бетонных элементов, соединенных канатами
или геотекстилем – покрытия «Армофлекс» и «АСЦ-Дельта-мат» в Нидерландах и т.д. К
сожалению, разработанные конструкции не были апробированы на волновые воздействия
с высотой волны больше 2,5 м.
В качестве одного из возможных вариантов крепления могут использоваться
«мешки», заполненные разнозернистым каменным материалом. Сама оболочка – является
неткановолокнистым материалом (геотекстилем) толщиной не менее 0,4 см и прочностью
на продольное растяжение 500…700 Н/см2 .
Для армирования полотен может использоваться проволочная сетка «Рабица»,
которая одновременно будет утяжелять полотно и придавать ему дополнительную
жесткость.
Технологически возможна укладка полотна в кузов автосамосвала с оставлением
выпусков, далее погрузка поверх полотна камня различной крупности, с последующим
перекрытием таким же полотнищем и креплением их между собой. Возможны также
другие способы упаковки каменного материала.
а
БАССЕЙН
 УБ 2,80 
13,55
МОРЕ
УМ 3,50 
-22,00
-29,00
б
13,55
 УБ 2,90 
УМ 2,00 
-22,00
-29,00
в
 УБ 1,20 
13,55
УМ 0,50 
-22,00
-29,00
г
 УБ 1,20 
-29,00
13,55
УМ 2,20 
-22,00
Рис. 1. Фильтрация через однородную каменно-набросную дамбу ( коэффициент
фильтрации горной массы Кф = 65000 м/сут), распределение фильтрационного напора на
моменты времени:
а – 9 ч, б – 14 ч, в – 16 ч, г – 20 ч
В последнее время широкое применение для крепления откосов находят различные
габионы. В Великобритании в качестве гибкого крепления откосов применяются
трубчатые (цилиндрические) габионы (рис. 2, 3) как из металлической сетки, так и из
полимерных материалов.
На рис.3,а
показано покрытие из
трубчатых габионов, которые представляют
собой систему из полимерных сеток
цилиндрической
формы,
заполненных
камнем. Для изготовления трубчатых
габионов используют штампованную или
литую сетку (методом центробежного
литья) без швов с заданными размерами
отверстий
и
толщиной
жилок.
Существующие методы штамповки и литья
полимерных материалов дают хорошую
возможность создавать для трубчатых
габионов комплекс «жилка – отверстие»
любой конфигурации, удовлетворяющие
условиям удерживания камня. Длина
цилиндрической сетки определяется
Рис. 2.
Пример цилиндрических
габионов
технологией строительства покрытия. Цилиндрические трубчатые габионы
диаметром D приобретают после заполнения камнем и укладки их на откос
прямоугольную форму (рис 3, б). Толщина покрытия при этом составляет t = 0,6D.
Трубчатые габионы соединяются между собой шнуром из полимерного материала, после
чего создается сплошное гибкое покрытие откоса.
Альтернативой
применению
габионных
конструкций
является
закрепление камня применяемого в
конструкции крепления и не обладающего
(из-за своего размера) самостоятельной
устойчивостью,
полимерной
сеткой,
заанкеренной в каменную наброску (рис.4).
а
б
Рис. 3. а) Трубчатый габион: 1- якорь;
2 – камень; 3 – сетка из полимерного
материала; 4 – трубчатый габион; 5 – шнур
из полимерного материала для перевязки
габионов; 6 – траншея; б) Схема изменения
формы габиона
При заанкеривании сетки в массив
каменной наброски необходимо учитывать
в расчетах устойчивости откоса влияние
«вырывающей» силы, которая передается
от канатов сети в массив откоса.
Расчет коэффициента устойчивости
производился с помощью вычислительной
программы «Otkos», разработанной на
кафедре
гидросооружений
МГСУ.
Программа
обеспечивает
поиск
поверхности
с
минимальным
коэффициентом
устойчивости
путем
перебора множества вариантов кривых
обрушения с различным положением
центра поверхностей скольжения и ее
радиуса. При учете волнового воздействия
вырывающая сила прикладывалась как
внешняя на участке наката волны.
Рис. 4. Крепление откоса полимерной сетью
Выводы
1. Проектирование плотины (отсечной дамбы) в составе ПЭС связано со
специфическими особенностями: а) двусторонняя работа, так как ВБ расположен то со
стороны моря, то со стороны бассейна; б) строительство ведется отсыпкой грунта в воду,
что обусловливает рыхлое сложение тела плотины; в) плотина должна иметь
противофильтрационное устройство, в противном случае эффективность ПЭС резко
падает; г) со стороны моря обычно имеет место очень сильное волнение, и традиционные
методы крепления откоса со стороны моря не подходят.
2. В качестве предпочтительного варианта создания противофильтрационного
элемента является замыв горной массы песком, имея в виду, что этот метод создания
каменно-песчаного тела плотины в России хорошо разработан. Его использование может
дать существенный экономический эффект.
3. Крепление откоса со стороны моря требует новых конструктивных решений. Если
уполаживать откос до 1:6…1:7, то никогда ПЭС не будут эффективными. Возможно
крепление откоса габионами.
4. Возможно крепление откоса и полимерной сетью.
5. В качестве еще одного альтернативного варианта может быть предложено
крепление из «мешков», заполненных разнозернистым каменным материалом.
Библиографический список
1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н.. Проектирование грунтовых плотин. – М.: АСВ, 2001.
2-е изд.перер. и доп.
2. Бернштейн Л.Б.. Приливные электростанции. – М.: АО«Гидропроект», 1994. Кн. 1.
3. Смирнова Т.Г., Смирнов Г.Н., Правдивец Ю.П. Берегозащитные сооружения. – М.:
АСВ, 2002.
4. СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения
(волновые, ледовые и от судов). – М.:Госстрой, 1989.
5. Жиленков В.Н. Один из способов защиты основания морской нефтегазовой
платформы от размыва. //Гидротехническое строительство.2006. № 2.