Применение ячеистых конструкций в гидротехническом

В.А Зимнюков, М.И. Зборовская, М.Ю. Герасимов
ПРИМЕНЕНИЕ ЯЧЕИСТЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Одной из тенденций в области гидротехнического строительства является широкое
применение ячеистых конструкций. Достоинством этих конструкций является снижение
расхода бетона, использование любого местного грунта для засыпки ячеек, хорошее
управление распределением напряжений в основании и возможность управления потоком,
хорошая вписываемость в рельеф местности [9]. Эти факторы отражают экологические
параметры ячеистых конструкций, которые к тому же обладают достаточной
надёжностью и резервом прочности.
Сложившаяся инвестиционная, техническая и экологическая политика привели к
третьему витку в истории развития малой гидроэнергетики, а разработчик широко
известной сборно-монолитной ячеистой плотины – институт «Гипросельэлектро» разрабатывал её на втором этапе массового строительства малых ГЭС в 1950-х годах для
строительства межрайонных сельских ГЭС [9].
Прогрессивным в настоящее время считается строительство ГЭС наплавным
способом с изготовлением основных конструкций в доках на значительном удалении от
стройплощадки и доставкой к месту установки с уже смонтированным оборудованием, по
аналогии с построенной Кислогубской ПЭС [6]. Большое внимание в России и за рубежом
уделяется освоению континентального шельфа для добычи подводных нефти и газа, и
ячеистые конструкции находят широкое применение в сложных гидротехнических
сооружениях – морских ледостойких платформах, которые работают в тяжелых условиях
(волна высотой до 30 м, ветер до 70 м/с, ледяные поля, течения, динамические и
температурные нагрузки) [4].
Рис.1. «Новоманирная плотина»
Каменского завода, построенная в 1723 г.
Рис. 2. Ячеистая плотина системы
А.М. Сенкова
Старые гидросооружения и сегодня играют важную роль в водоснабжении
промышленных предприятий, городов и поселков, например, Урала. Уже в первой
половине XVIII века уральские строители искали композиционные и конструктивные
решения заводских гидротехнических сооружений. Своеобразием и необычностью
отличалась «новоманирная плотина» Каменского завода, построенная в 1723 г. на р.
Каменке притоке Исети – длиной 106,5 м, шириной 34 м, высотой 6,4 м. Тело плотины
161
было выполнено в виде ряжевого каркаса, заполненного «доброю глиною без песку» и
делилось на три части прорезами (рис. 1).
Первые из известных ячеистых плотин (XIX век, Латвия) были низконапорные
(Н=3-5 м) монолитные (без армирования) ячеистые бетонные плотины, которые с конца
20-х годов ХХ века стали широко известны под названием «ячеистые плотины системы
А.М. Сенкова [9]. А.М. Сенков - петербуржец, профессор, доктор технических наук, его
архив хранится сейчас в Музее гидротехники в Санкт-Петербурге. Обоснованием
найденного им нового метода возведения плотин было изложено в дипломной работе
(1929 г.). В 1933 году по проекту и под руководством А.М. Сенкова построили плотину на
р. Кальмиус для водоснабжения «Азовстали». Разработанные им для своей плотины
пустотелый флютбет водобоя, гаситель энергии (вошел в БСЭ) и регулятор размыва
получили высокую оценку и широко используются в практике гидростроительства. В
августе 1934 г., основываясь на отзывах об этом типе плотины весьма авторитетных
специалистов (академиков А.В. Винтера, Б.Е. Веденеева, Н.Н. Павловского и др.), Совет
труда и обороны (СТО) вынес постановление принять меры к постройке этого типа
плотин. Идея была признана ценным рационализаторским предложением в стахановском
движении как удешевляющая гидротехническое строительство, но в реальное
строительство внедрялась с трудом и к Первому Всесоюзному совещанию стахановцев
1936 г. была построена ещё лишь одна плотина этого типа - на р. Бузулук. Но постепенно
идея А.М. Сенкова находила не только новых сторонников: академики М.А. Лаврентьев,
С.А. Христианович, А.Ю. Ишлинский - по этому методу возвели несколько плотин.
Научные организации, институты и вузы, в том числе АН Украины, занимались
изучением и обоснованием преимуществ гидросооружений системы Сенкова. Этой теме
посвящены дипломы, кандидатские и докторские диссертации, монографии, свыше 500
работ в нашей стране и за рубежом. Только по настоящему интересные инженерные
решения привлекали к себе такое внимание [1,7,8].
Рис. 3. Плотина системы А.М. Сенкова
на р. Тясьмин
Рис. 4. Сборно-монолитная ячеистая
плотина конструкции Гипросельэлектро
Интерес представляет строительство большой плотины Сенкова на р. Тясьмин близ
города Смелы на слабых глинистых грунтах в основании по проекту Транстехпроекта.
Многим планам помешала война. А.М. Сенков всегда стремился распространить
данный тип плотин для применения в гидроузлах с большим подпором воды на реках
Волге и Днепре, но осуществить этого не сумел. В 1942-43 гг. А.М. Сенковым был
164
разработан сборный вариант плотины взамен разрушенной массивной бетонной плотины
для восстановления водоснабжения на Казанской железной дороге, что дало удешевление
строительства в пять раз, а сроки строительства были сокращены в четыре раза.
Широко рекламировался в середине 1950-х годов, когда был взят курс на
индустриализацию строительства, пример постройки на Украине на одном из притоков р.
Днепр сборной ячеистой плотины в рекордно короткий срок – за пять дней.
Согласно опубликованным данным к 1956 году было построено около 40 плотин
системы Сенкова с напором до 16 м (около 20 из них на Украине); данными по авариям
этих
плотин мы не располагаем. Нет также более детальных сведений о сборных плотинах
системы А.М. Сенкова. К недостаткам монолитных ячеистых плотин системы Сенкова
относят трудности по арматурным работам и стыкам и большие расходы материалов и
трудовых затрат на опалубку [6].
В 1951-1953 гг. в институте Гипросельэлектро МСХ СССР в Москве занимались
созданием экономичных конструкций плотин. Было разработано 14 вариантов сборных
плотин и проведено их технико-экономическое сравнение. К внедрению была принята
сборно-монолитная ячеистая плотина, дающая экономию в стоимости 30-40% в
результате уменьшения бетонных работ в два раза, исключения опалубки и механизации
производства работ. Автор - Т.Л. Вархотов (рис. 4) [9].
Объектами, на которых впервые в строительной практике в 1956-1958 гг. применили
новые сборно-монолитные ячеистые конструкции (рис. 4), были четы
ре районных сельских гидроэлектростанции. Ряд плотин аналогичной конструкции
был построен по типовым проектам ВНИПИсельэлектро, в частности, Петропавловская
плотина на р. Ишим с напором 6,2 м на песчано-глинистом основании; плотина № 6 на р.
Ирша и плотина на р.Возня на скальных основаниях [4,6,9].
Рис.6. Узел стыкования блоков
контрфорса и напорной грани
Рис.5. Житомирская контрфорсноячеистая плотина
Рис.7. Плотина Рыбинской ГЭС
на р. Волге
Проектные проработки института Гипросельэлектро показали, что с увеличением
высоты сооружений технико-экономическая эффективность от применения ячеистых
сборно-монолитных конструкций возрастает [9,10,14,16]. Интересным инженерным
решением представляется, построенная в 1962-65 гг. Житомирская контрфорсно-ячеистая
рессорная плотина на
р. Тетерев на прочном скальном основании по проекту
165
Укргидропроект (рис. 5) [15]. По длине плотина членится температурно-осадочными
швами на cемь укрупненных блоков длиной 9,62-19,5 м. На рисунке 6 приведён узел
стыкования блоков контрфорса и напорной грани. Напорная грань выполнена в сборномонолитном железобетоне, а контрфорсы состоят из пустотелых блоков, соединяемых
между собой с помощью бетона омоноличивания. Строительство плотины подтвердило
эффективность применения в рациональном сочетании сборного, сборно-монолитного и
монолитного (левобережный устой) железобетона, что не было достигнуто на
строительстве сборной плотины Заинской ГРЭС по проекту института Гидропроект в 1959
году [14].
Примером ячеистой плотины на р. Волге является ячеистая плотина Рыбинской ГЭС,
построенная на глинистых грунтах и пущенная в эксплуатацию в 1941 году. Она имеет
напор 18,0м и высоту порядка 32,0 м. (рис. 7) [9,10,11]. Гидроузел осуществлял снабжение
Москвы электроэнергией как автономный источник наряду с Углической ГЭС (пуск
1940 г.) во время Великой отечественной войны. Крупнейшие проектные институты
Гидропроект и Гидроэнергопроект разработали в 1950-60-е годы целый ряд вариантов
экономичных сборных конструкций плотин и зданий ГЭС на нескальных основаниях
[9,10,11,14,16]. На песчаных грунтах были построены плотины Каховского, Киевского,
Каневского, Днепродзержинского гидроузлов на р. Днепр, на которых в качестве
перемычек и устоев применялись ячеистые конструкции. В 1955 году на Каховской ГЭС
использовались ячеистые шпунтовые перемычки [16, 18]. В 1959-65 гг. были введены в
действие Воткинская, Кременчугская, Плявиньская ГЭС и другие, где также нашли
применение сборные и ячеистые конструкции. В 1966-70 гг. завершено строительство
Киевской ГЭС [10, 16]. К недостаткам примененной на строительстве Киевской ГЭС
конструкции ячеистого устоя относится установка плит насухо. Стоимость и
трудоемкость изготовления и монтажа сборного железобетона близка к данным по
опытной плотине Заинской ГРЭС. Аналогичная конструкция устоя была применена на
Днепродзержинской ГЭС. В 1966-70 гг. введен первый агрегат на опытной переливной
электростанции – Кислогубской ПЭС на Мурманском побережье Кольского полуострова.
В виде подпорных стенок ячеистого типа выполнены и сопрягающие устои
Каневской ГЭС, но усовершенствованной по сравнению с Киевской ГЭС конструкции (в
три раза сократили количество плит и существенно упростили работы по
омоноличиванию стыков) [2]. Конструкции с широким применением сборного
железобетона по основным показателям не уступают обычно применяемым монолитным
сооружениям, но имеют меньшую стоимость. Опыт эксплуатации Киевской ГЭС
подтвердил, что сборные конструкции работают без каких-либо отклонений от
предъявляемых требований. Примерами ячеистых сооружений из сборных элементов
могут служить, построенные подпорные сооружения Кременчугской ГЭС, Прутского
гидроузла и т.д. Строительная высота сооружений достигала 30 м [16].
Ячеистые сборно-монолитные конструкции в конце прошлого века активно внедрял
институт «Союзгипроводхоз», директором которого был Т.Л. Вархотов. В 1970-71 гг. с
применением сборно-монолитных ячеистых конструкций в Югославии были построены
две водосливные плотины пропускной способностью 600-700 м3/с, высота сооружений
14 м; две насосные станции на расход 17-25 м3/с, строительная высота 12-15 м. Примером
эффективного использования сборно-монолитных ячеистых конструкций может служить
также строительство молов аванпорта Краснодарского водохранилища в 1970-73 гг.
(рис. 8) [12]. В первой половине 1980-х годов с применением сборно-монолитных
ячеистых конструкций по проекту «Союзгипроводхоза» сооружены на канале ТартарТигр в Ираке: головной вододелитель и сопрягающее сооружение (рис. 9) [13]..В 1985 г. в
167
институте «Союзгипроводхоз» зарегистрировано авторское свидетельство по способу
возведения ячеистой плотины методом «стена в грунте» [3].
Известно применение ячеистых конструкций в составе селезащитной плотины
(1976 г.) - для защиты западной части Алма-Аты на р. Большая Алмаатинка. Каркас
плотины – монолитная крупноячеистая (12,5х8,5 м в свету) железобетонная конструкция.
Открытые ячейки засыпаны валунно-галечным грунтом [17].
Применение пустотелых оболочек в гидротехническом строительстве открывает
новые методы и возможности для строительства плотин, зданий ГЭС, способы
сопряжения сооружений. Оболочки могут применяться почти на любых грунтах
основания [19,20,21,22,23]. Хорошим примером подобной конструкции является
глубинный водозабор Костромской ГРЭС, имеющий длину 237,7 м, высоту 10 м, ширину
поверху – 8,75 м (рис. 10). Был введён в эксплуатацию в 1980 году, работает в
безнапорном режиме. Назначение глубинного водозабора – обеспечить селективный забор
воды из нижних слоев речного потока, не нагретых за счет естественного солнечного
нагревания. Глубинный водозабор сложен из несвязанных между собой и незаанкеренных
блоков и лежит на спланированной каменно- набросной постели толщиной 2,6 м. II-IV
ярусы водозабора выполнены из ж/б блоков-ящиков с толщиной стенок 0,2 м с засыпкой
их гравием и песком. Конструкция сооружения обеспечивает работоспособность
водозабора до настоящего времени (при выявленных недостатках).
Рис. 7. Сопрягающие устои Каневской ГЭС
168
Рис.9. Сопрягающее сооружение
на канале Тартар-Тигр (Ирак)
Рис.8. Вариант решения молов из сборномонолитных ячеистых конструкций
Рис. 10. Поперечное сечение глубинного
водозабора Костромской ГРЭС
169
В целом можно отметить, что при высокой надежности и прочности, ячеистые
конструкции содержат в себе ещё много скрытых резервов [5] и их дальнейшее изучение и
разработка представляют несомненно большой интерес и выгоду: экологичное экономично.
Библиографический список
1. Щигель А. Смелее внедрять предложение инж. Сенкова в практику гидротехнического
строительства. //Гидротехническое строительство, 1936. № 8-9. С. 3.
2. Карлин С.И., Шульга В.А. Результаты натурных наблюдений за состоянием
сооружений Каневской ГЭС. //Гидротехническое строительство. 1985. № 2. С. 34-39.
3. Новожилов М.С. и др. Способ сооружения ячеистой плотины. Союзгипроводхоз. А.С.
№1142580, 1985, бюллетень изобретений №8.
4. Розанов Н.П. и др. Бетонные и железобетонные контрфорсные и ячеистые плотины
высотой до 100м. Научно-технический отчет МГМИ. М.: МГМИ. 1988. 462 с.
5. Каганов Г.М., Зимнюков В.А., Писарев Г.Н., Зборовская М.И. Гидротехнические
сооружения ячеистой конструкции. А.С. № 1749358. М.: МГМИ. 1992.
6. Ковалевский Г.В. Новый метод проектирования и строительства плотин системы
Сенкова из сборного железобетона. Л.. 1956. 128 с.
7. Сенков А.М. Новый тип плотины Великим стройкам. Доклад на заседании комиссии
водных ресурсов, 1951.
8. Сенков А.М. Достижения отечественной гидротехники великим стройкам. Бюллетень
ТАСС № 33, 1952.
9. Вархотов Т.Л. Сборно-монолитные и сборные ячеистые плотины. М.: Госстройиздат,
1962. 343 с.
10.Алышев М.А. Индустриальные конструкции гидротехнических сооружений. М.:
Энергия. 1969. 96 с.
11.Березинский А.Р., Соколова В.Ф., Алипов В.В. Применение сборного железобетона в
гидротехнических сооружениях. М.: Гос. изд-во литературы по строительству,
архитектуре и строительным материалам. 1959. 431 с.
12.Рекомендации по конструированию сборно-монолитных ячеистых конструкций и
организации изготовления их элементов. М.: Союзгипроводхоз. 1981. 36 с.
13.Строительство канала Тартар-Тигр в Иракской республике. Технический проект. Ч. II.
Гидротехническое строительство. Книга IV. Чертежи. М.: Гипроводхоз. 1977.
14.Фрейгофер Е.Ф.
Эффективность применения сборного железобетона в
гидроэнергетическом строительстве (Библиотека гидротехника. Вып. 17). М.:
Энергия. 1971. 136 с.
15.Зерюков В.И., Карлин С.И.. Устойчивость Житомирской контрфорсно-ячеистой
плотины. //Гидротехническое строительство. 1984. №8. С.15-18.
16.Доценко Т.П., Канарский В.Ф., Поташник С.И. Низконапорные гидроузлы с
горизонтальными агрегатами (Библиотека гидротехника и гидроэнергетика, Вып. 60).
М.: Энергия, 1978, 137 с.
17.Букейханов С.Р., Кузютин А.Д., Погорелов Ю.П. Исследование напряженнодеформированного состояния каркаса крупноячеистой ж/б селезащитной плотины.
Межвуз. Сборник научных трудов. //Технология строительного производства и
вопросы проектирования. Алма-Ата: КПИ. 1983. С. 6-11.
18.Николаев Ю.Г., Якобсон А.Г. Перемычки в гидротехническом строительстве
(Библиотека гидротехника и гидроэнергетика. Вып. 21). М.: Энергия. 1971. 144 с.
19.Березинский А.Р. Водосливная плотина из ж/б свай-оболочек. //Гидротехническое
строительство. 1961. №5. С. 46-47.
20.Гольцман В.Х. Ячеистые гидротехнические конструкции из трубчатых ж/б свай.
//Гидротехническое строительство. 1959. №4. С. 7-13.
170
21.Пигалев А.С. Сопряжение бетонных и земляных сооружений напорного фронта с
помощью цилиндрической оболочки. //Гидротехническое строительство. 1978. №11.
С. 11-14.
22.Шень Бао Кан. Исследование сборно-монолитных ячеистых плотин. Автореф.
дис….канд. техн. наук. М.: МИСИ. 1963. 19 с.
23.Левачев С.Н. Оболочки в гидротехническом строительстве. М.: Стройиздат. 1978.
168с.
171