Асфальтобетонные диафрагмы (ч. 1)

Являясь дальнейшим совершенствованием противофильтрационных элементов грунтовых плотин, они берут свое начало от металлических диафрагм на первых американских плотинах. Впервые такая диафрагма была установлена на плотине Лоуэр Отей в 1897 г. (рис. 6.15, б). Здесь стальной лист толщиной 6,5—8,5 мм был покрыт слоем битума, армированным просмоленным брезентом и защищенным с обеих сторон слоем бетона в 30 см, но диафрагма не имела деформационных швов, а потому в 1916 г., т.е. через 19 лет, при переливе через ее верх слоя воды всего в 5 см диафрагма в течение 20 мин была разорвана и снесена на 15 км вниз по реке.

Этот пример наглядно иллюстрирует основной недостаток металлических диафрагм — малую деформативную способность.

В дальнейшем металлические диафрагмы выполнялись, как правило, из металлического шпунта с усилением ядрами из малопроницаемых грунтов: в Финляндии (1971 —1973 гг.) построены плотины Куурна (25 м) и Мело (40 м), в Гвинее (1963 г.) — плотина высотой 20 м. Применяются шпунтовые диафрагмы и на советских плотинах: Нижнесвирской (1933 г.), Угличской (1940 г.), Рыбинской (1941 г.), Норильской (1968 г.) и Серебрянской (1972 г.).

К серьезным недостаткам шпунтовых диафрагм следует отнести фильтрацию через стыки («замки») шпунтин, что требует устройства специальных уплотнений. Правильно решен этот вопрос, по предложению П.Д. Глебова, на диафрагме Нижнесвирской плотины (рис. 6.15, а), которая успешно служит уже более 45 лет без каких-либо признаков фильтрации. Ее конструкция является переходной к асфальтобетонным диафрагмам. К настоящему времени построены 22 плотины с такими диафрагмами и накоплен значительный опыт их эксплуатации, в том числе на высоких (107 и 102 м) плотинах Хиг Ислэнд в Гонконге (рис. 6.15, г), Финстерталь в Австрии; на последней при общей ее высоте 149 м диафрагма имела высоту 93 м (табл. 6.14 и рис. 6.11, г) при наибольшей толщине всего 70 см («Энергетическое строительство», 1979 г, № 1).

Впервые асфальтобетонная диафрагма была сооружена на плотине Валь де Гайо в Португалии; здесь слой горячего литого асфальтобетона был нанесен поверх каменной кладки, а затем усилен суглинистым грунтом верхового клина плотины и асфальтобетонным экраном на поверхности верхового откоса, в связи с чем трудно считать высокую водонепроницаемость этой плотины (65,6 м), фильтрационный расход в дренаже которой не превышает 1 л/мин, результатом работы именно диафрагмы.

Наклонные диафрагмы были устроены на австрийской плотине Ротгюлдензее, французской плотине Ластиоль и ряде немецких плотин; такие диафрагмы выполнялись из литого асфальта с втапливанием в него мощными вибраторами (по 8 т) до 40 % камней, иногда диаметром до 70 см. Благодаря высокой производительности асфальтовых работ возведение диафрагм не отставало от укладки каменной наброски и грунтовой насыпи [35].

В дальнейшем западногерманская фирма «Страбаг» разработала специальный высокоэффективный асфальтоукладчик, укладывающий и уплотняющий крупнозернистый гидротехнический асфальтобетон (табл. 6.17) слоями по 20 см.

Весьма интересен опыт строительства диафрагм на уникальных плотинах Хиг Ислэнд в Гонконге. Эти высокие плотины в сильно сейсмичном районе (рис. 6.15, г) имели асфальтобетонные вертикальные диафрагмы толщиной до 120 см. В нижней части каждой плотины была устроена контрольная дренажная галерея, а с низовой стороны выполнена дополнительная диафрагма толщиной 60 см, отделенная от основной песчаной прослойкой толщиной 2,8 м (рис. 6.16). В 1974—1978 гг. одновременно возводились две плотины: западная и восточная, что потребовало большого объема асфальтобетонных работ («Wasser-wirtschaft», 1976, № 9).

Интенсивные асфальтовые работы были начаты еще в период подготовки строительства, так как плотины строились в лагуне, в связи с чем котлован был отгорожен перемычками высотой до 40 м. Эти перемычки возводились путем наброски камней в воду; сверху они покрывались противофильтрационным экраном из горячей битумно-песчаной смеси, заливаемой под воду из шаланд, с помощью которых свыше 100 тыс. т асфальтовой смеси было уложено всего за четыре месяца. Сверху асфальтовый экран был пригружен крупными камнями массой до 21 т, ибо расчетная высота волны достигает 12 м.

Для возведения диафрагм из жесткого крупнозернистого асфальтобетона фирма «Страбаг» построила асфальтобетонные заводы производительностью 140 и 180 т/ч и использовала три специальных асфальтоукладчика, к которым смесь подвозилась 12 автосамосвалами грузоподъемностью по 12 т. Таким образом было уложено 50 000 т асфальтобетона всего за пять месяцев, а строительство плотин объемом 6 и 4 млн. м³ завершено за 2,5 и 2,3 года. Эти цифры убедительно демонстрируют преимущества асфальтобетонных диафрагм и те перспективы для комплексной механизации работ, которые они создают благодаря своей простоте.

Исследования ВНИИГа показали, что в условиях сурового климата наиболее целесообразны диафрагмы из литого или пластичного гидротехнического асфальтобетона следующего ориентировочного состава (%):

Пластичный асфальтобетон может быть легко приготовлен на обычных дорожных асфальтобетонных заводах, перевозиться автосамосвалами и благодаря пластичной консистенции укладываться путем заливки в скользящую опалубку, что позволяет вести работы и на морозе, и в дождь. Высокая технологичность представляет несомненное преимущество этого противофильтрационного устройства, а хорошая деформативная способность асфальтобетона увеличивает надежность диафрагмы при повышенных осадках каменнонабросной плотины. Отметим попутно, что скорости деформации каменной наброски составляют 10^–7— 10^–6 см/с, т.е. примерно такие же, как и скорости деформации в асфальтовых шпонках деформационных швов бетонных гидросооружений (см. § 3.1), которые, как показала многолетняя практика, работают вполне надежно и в суровом климате. Поэтому асфальтобетонная диафрагма представляется вполне надежной в самых разнообразных климатических условиях («Гидротехническое строительство», 1969, №11; 1970, № 3).