Опыт восстановления водонепроницаемости конструктивных (деформационных) межсекционных швов в бетонных плотинах гидроэлектростанций
Деформационными швами называются постоянно действующие элементы бетонных и железобетонных сооружений, обеспечивающие свободу деформации их отдельных секций при неравномерной осадке основания, изменении температуры, усадке бетона в период твердения или при изменении внешних нагрузок. Конструкции швов определяются их назначением, конструкцией и классом сооружения, свойствами грунтов основания, климатическими условиями района и действующим напором воды.
Деформационный шов состоит из полости и её заполнения, противофильтрационного уплотнения, дренажных и контрольных устройств. В гидротехнических сооружениях уплотнение швов является ответственной конструктивной задачей, так как шов – наиболее уязвимое место в плотине для воздействия давления воды.
Существуют следующие виды материалов для выполнения уплотнения швов:
1. Асфальтовые шпонки, основной частью которой является полость, заливаемая асфальтовой мастикой в горячем состоянии;
2. Автоматические шпонки, заполняемые легкоподвижным битумом и подпитываемые из контрольной галереи через специальные питательные колонки тем же битумом;
3. Металлические диафрагмы листы-компенсаторы. Используются для уплотнения швов в сочетании асфальтовыми шпонками и цементацией. Для узких швов (3-20 мм) применяются и самостоятельно.
Все уплотнения деформационных швов должны по надежности и долговечности соответствовать расчетной долговечности основных сооружений, так, для первого класса капитальности - более ста лет. Поэтому предусматривают их повышенную надежность и дублирование.
По различным причинам, таким, как нарушение технологии строительства, резких сезонных перепадов температур (из-за чего происходит отклонение плотины от своего вертикального положения) и др., нарушается целостность шпонок и, как следствие, появляются очаги фильтрации через бетон напорной грани. Несвоевременное устранение протечек может привести к изменению прочностных характеристик бетона, к уменьшению надежности и безопасности эксплуатации плотины, а также к аварийным ситуациям.
Далее рассмотрим конкретные примеры восстановления водонепроницаемости межсекционных (деформационных) швов с различными типами шпонок.
1. На Нижнекамской ГЭС (Татарстан) вышла из строя электрическая обогревающая система асфальтовой шпонки межсекционного шва. Для восстановления шпонки, через которую текла вода с большой скоростью, необходимо было полностью прекратить поступление воды в район шпонки по всей высоте шва. Для этой цели была пробурена скважина, в сторону верхнего бьефа за существующей шпонкой, на всю высоту шва (34 м). В скважину опустили манжетную колонну (с перфорацией) в рукаве из специального полотна от размыва инъекционного состава, затем позонно, снизу верх скважина была прокачана тиксотропной двухкомпонентной смолой со специальной добавкой. Смола имела свойства расширения при взаимодействии с водой, таким образом фильтрация была остановлена. Работы производились зимой, чтобы можно было заморозить асфальтовую шпонку, выбурить ее и восстановить. Такой метод работы возможен при очень точном бурении скважины, фактически, без отклонений от вертикали из-за возможности «ухода» за пределы межсекционного шва. Метод эффективен при высоте скважин до 40 метров.
2. На Усть-Илимской ГЭС на р. Ангара (Восточная Сибирь) были выявлены очаги фильтрации в плотине. Бетонная плотина гравитационная, массивная, треугольного профиля. Длина по гребню составляет 1475 м, наибольшая высота – 105 м, ширина по основанию 72 м, по гребню 20 м. По длине плотина разрезана на отдельные секции по 22 м, которые заполнены древесно-волокнистой плитой, конструктивными межсекционными швами толщиной 2 см. Для обеспечения водонепроницаемости шва, в него встроены противофильтрационные элементы в виде латунных листовых шпонок. Шпонка типа I - это основная шпонка, установленная на расстоянии 2 м от напорной грани, шириной 1400 мм и толщиной 2,5 мм. Через 88 см от нее в сторону нижнего бьефа установлена латунная шпонка типа II меньшего размера, шириной 710 мм, толщиной 2 мм. На расстоянии 55 см от шпонки типа II имеется смотровой колодец 90х90 см. В теле плотины по ярусам через 15 м по высоте расположены продольные и поперечные смотровые галереи для осмотра бетона и контроля за сооружением. В межшпоночное пространство (пространство между двумя шпонками по вертикали) была заложена цементационная арматура с выводом труб в смотровые галереи. Она позволяла в случае необходимости произвести цементацию межшпоночного пространства.
За весь период эксплуатации бетонной плотины выявлялись очаги фильтрации через бетон напорной грани: это межсекционные швы и трещины. Последнее десятилетие наблюдался резкий рост фильтрационных расходов, поступающих через бетон напорной грани плотины в смотровые колодцы. Также поступала вода в смотровые галереи через горизонтальные трещины, которые простираются, как правило, на всю ширину секции и выклиниваются в смотровые колодцы. Увеличение приточности воды в смотровые колодцы означает наличие серьезного дефекта конструктивного шва и, возможно, области бетона вокруг него. Все это привело к необходимости разработки мероприятий по ликвидации сильных течей через межсекционные швы.
Было предложено несколько вариантов решения проблемы, а именно:
1. Заделка битумной мастикой смотровых колодцев;
2. Заделка фильтрующих трещин пластырями со стороны напорной грани;
3. Инъекция фильтрующих трещин и конструктивных швов.
Вариант заделки битумной мастикой смотровых колодцев ввиду сложности работ в существующих условиях с большим притоком воды был отклонен.
От второго варианта прекращения течей с применением пластырей пришлось отказаться, так как он требует остановки гидроагрегатов, очистки напорной грани от опалубки и арматуры водолазами, а также связан с большими трудозатратами. Поэтому, был принят третий вариант - инъекции.
Наиболее распространенный способ лечения трещин это цементация. Именно методом цементации и предполагалось выполнить инъекцию в пространство между шпонками, где при строительстве была заложена специальная цементационная арматура. Однако имеющийся опыт неудачного выполнения цементации одиночных фильтрующих трещин в бетоне, наличие трещин с малой величиной раскрытия в конкретных условиях Усть-Илимской плотины привели к решению отказа от цементации.
Для проведения инъекций швов и трещин необходимо было решить следующие задачи:
1. Создать условие стоячей воды, т. е. временно прекратить течь;
2. Подобрать материал, который обладал бы упруго-пластичными свойствами для «свободного дыхания» шва и достаточной адгезии (сцепления материала с бетоном);
3. Подобрать материал с высокой проникающей способностью в тонкие трещины и вязкостью, определяющей давление нагнетания;
4. Уточнить пути фильтрации для обозначения зон инъектирования и отвести воду из трещин для исключения выноса инъектируемого материала фильтрационным потоком.
Работа была поручена фирме ООО «Геоизол» из г. Санкт-Петербурга, которая имела опыт подавления фильтрационных проявлений на Бурейской, Ирганайской и др. ГЭС.
Цикл работ по инъектированию и заделке швов и трещин была выполнена в следующей последовательности:
1. Производится очистка пространства шва «смотровой колодец- шпонка типа II» от мягкого ДВП и прочего мусора, для выявления отметок выхода воды в смотровой колодец;
2. Выполняется бурение скважин (Ǿ52 мм) из смотровой галереи в межшпоночное пространство, для отвода воды из смотрового колодца и для дальнейшего инъектирования. Скважины бурятся в местах наиболее сосредоточенных выходов воды в смотровой колодец, а также с учетом равномерности. На нижней и верхней отметках инъектируемого участка шва бурятся дополнительные отсекающие скважины;
3. Для смотрового колодца изготавливаются точные по размеру металлические уголки (накладки) с отверстиями для проведения инъекций. Эти накладки устанавливаются сверху вниз на протекающий выход шва в колодец. В накладки вставляются инъекционные трубки разной длины, максимально до шпонки типа II;
4. Во все пробуренные скважины при помощи досылочных и удлиняющих трубок вставляются гидравлические инъекторы SK-40 и разжимаются водой. Инъекторы устанавливаются в непосредственной близости от межшпоночного пространства и оборудуются вентилями, выведенными в смотровую галерею;
5. Отсекающие скважины - верхняя и нижняя отметка выделенного участка шва – инъектируются жесткой полиуретановой смолой быстрого схватывания. Создаются пробки для изолирования обрабатываемого участка колодца;
6. Производится инъектирование пространства «колодец- шпонка II» через иньекционые трубки жесткой полиуретановой смолой;
7. Выполняется проверка герметичности пространства «колодец- шпонка II», перекрыв все запорные вентили на скважинах Ǿ52 мм;
8. После всех подготовительных мероприятий инъектируется межшпоночное пространство медленнотвердеющей, эластичной полиуретановой смолой.
Иньектирование производится «снизу-вверх», контролируя процесс заполнения межшпоночного пространства вышерасположенной скважиной. Также для контроля и инъектирования используется сохранившаяся цементационная арматура.
Трещины инъектируются низковязкой акрилатной смолой. Инъектирование выполняется в зимний период, при максимальном раскрытии швов и трещин.
После успешной герметизации первого шва в 2004 году было принято решение герметизировать подобным образом все сильнотекущие швы и трещины плотины, используя данную технологию.
Работы продолжаются по сегодняшний день. Герметизация сильнофильтрующих швов и трещин обеспечит надежность и безопасность эксплуатации плотины.
ООО «Геоизол»
197198, Санкт-Петербург, Большой пр. П.С., 25, к. 2, лит. Е
