Обоснование технологии и разработка устройств для цементации строительных швов высоконапорных бетонных плотин

Актуальность. При строительстве высоконапорных бетонных плотин обычно применяется метод столбчатой разрезки, когда сооружение возводится отдельными бетонными массивами (столбами), а затем омоноличивается цементацией временных межстолбчатых швов. Для производства цементации в тело плотины при бетонировании закладывают специальные системы труб с выпусками, через которые после остывания бетонной кладки раскрывшиеся швы заполняют цементным раствором. Аналогичные системы используют для противофильтрационной цементации деформационных швов и швов бетонирования пробок временных водопропускных отверстий.

Строительство в СССР крупных высоконапорных бетонных плотин в различных климатических зонах позволило накопить практический опыт по конструированию и монтажу закладной цементационной арматуры, организации и технологии цементации швов, по контролю и оценке качества цементации. Выполненные ведущими проектными и научно-исследовательскими институтами Гидроспецпроект, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, НИС Гидропроекта им. С. Я. Жука теоретические, лабораторные и натурные исследования, связанные с решением некоторых специальных задач гидравлики и статики сооружений, связанных с омоноличиванием плотин, позволили усовершенствовать технологию цементации швов, улучшить свойства цементационных растворов, уточнить основные технологические параметры цементации.

Однако, такие исследования проводились по заказам Дирекций строящихся гидроузлов или организаций — Генпроектировщиков отдельно для каждой плотины. До сих пор недостаточно обобщен опыт этих исследований, проектирования и производства работ по цементации швов и, как следствие, отсутствуют общероссийские нормативные документы, которые позволили бы развить и уточнить основные положения Строительных норм и правил.

Цель и задачи работы заключались в разработке, испытании и внедрении новых конструкций закладных систем для отогрева и цементации швов, а также прогрессивной технологии цементации швов и методики выполнения контрольных работ, обеспечивающих качественное омоноличивание плотин. Эти задачи решались на основе исследований гидравлических характеристик цементируемых швов, особенностей отогрева бетона вблизи цементируемых швов, протекания процесса цементации швов, их заполнения цементным камнем.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые обоснованы и экспериментально подтверждены основные принципы по проектированию закладных цементационных систем, позволяющих при минимальном количестве цементационных выпусков обеспечить передачу давления нагнетания на участок шва независимо от его конструкции, размеров, условий производства работопределены зависимости раскрытия реального вертикального шва от градиента действующего давления и пропускаемого расхода, герметичности карты цементации от давления нагнетания и расхода воды с учетом ее размеровопределены закономерности влияния цементационных системам на средний градиент давления в швеустановлена и подтверждена зависимость начального состава нагнетаемого раствора от удельной пропускной способности шваэкспериментально подтверждена возможность цементации швов с предварительным отогревом бетона теплоносителем, пропускаемым через закладную системув результате теоретических исследований получены эмпирические зависимости, позволяющие оценить качества работ по цементации швов.

Получены авторское свидетельство и патент на изобретение по теме исследований. За разработку новой техники для омоноличивания плотин в условиях отрицательных температур бетона автор награжден серебряной медалью ВДНХ.

Практическую ценность имеют:

— конструкции нагнетательных систем для однократной и многократной цементации швов с линейными и клапанными выпусками, обеспечивающие подачу в шов густого цементного раствора, передачу давления нагнетания на значительную площадь шва и промывку системы для проведения вторичной цементации;

— конструкция устройства для омоноличивания бетонных блочных сооружений с вертикальными и горизонтальными швами;

— методика назначения оптимального начального состава нагнетаемого раствора в зависимости от удельной пропускной способности шва;

— методика цементации швов при отрицательных температурах бетона с использованием закладной системы отогрева и теплоносителя с регулируемой температурой;

— методика оценки качества работ по цементации швов посредством анализа всех данных, полученных в процессе нагнетания воды и цементного раствора, и их обработки по эмпирическим зависимостям, полученным в результате теоретических исследований.

Реализация результатов исследований. Проведенные исследования позволили разработать типовые карты цементации, применявшиеся в рабочей документации Богучанской ГЭС. Конструкции цементационных систем для омоноличивания бетонных плотин, возводимых с применением сборной железобетонной опалубки, использованы при омоноличивании Ингурской арочной плотины с экономическим эффектом 300 тыс. рублей (в ценах 1984 года). Конструкции закладных систем для отогрева и цементации швов, устройства для нагрева и подачи теплоносителя в зону бетона с отрицательными температурами применялись при омоноличивании плотин Зейской и Саяно-Шушенской ГЭС. Методика назначения оптимального начального состава нагнетаемого раствора в зависимости от удельной пропускной способности шва, прошла проверку при цементации швов Андижанской, Зейской и Ингурской плотин. Методика оценки качества цементации использовалась при строительстве Ингурской арочной плотины.

На защиту выносятся результаты теоретических и опытно-производственных исследований, выполненных при непосредственном участии автора на строительстве плотины Андижанского водохранилища, Усть-Илимской, Зейской, Саяно-Шушенской и Ингури ГЭС.

Автор благодарит всех участников исследований, а также научного консультанта — к.т.н., члена — корреспондента АВН РФ Аргала Э. С. за помощь в работе над диссертацией.

Выводы.

1. Оценка напряженного состояния сооружения возможна только после завершения работ по цементации строительных швов и восприятия сооружением напора. Поэтому на каждом этапе работ по омоноличиванию должен осуществляться оперативный контроль их качества. Поскольку по своему характеру работы по цементации швов являются скрытыми и непосредственный контроль их качества в процессе производства и приёмки работ затруднён, необходимо выполнять специальные контрольные работы для определения степени заполнения швов по площади карты, а также толщины слоя и физико-механических свойств цементного камня, заполняющего шов.

2. Из применяемых в настоящее время способов контроля качества цементации швов наиболее трудоёмким, но в то же время и самым информативным является керновое бурение скважин, пересекающих зацементированный шов.

3. Одним из косвенных способов контроля является анализ показания приборов, измеряющих деформации и температуру в разных точках плотины. Телетермометры, устанавливаемые в ядре блоков бетонирования, позволяют косвенно судить о температурных деформациях, возникающих в бетоне в строительный период и являющихся основными деформациями при отсутствии внешних нагрузок.

4. Для оценки степени заполнения шва может использоваться анализ данных, зафиксированных в журнале гидравлического опробования и цементации карты. В случае точного соблюдения предусмотренной проектом технологии цементации, степень заполнения шва цементным камнем должна быть достаточно высокой. Определив средние для карты удельный расход цемента и раскрытие шва, можно по их отношению, оценить среднюю степень заполнения шва цементным камнем в пределах данной карты цементации.

5. Программы контрольных работ могут разрабатываться на основе разработанной методики оценки качества цементации швов. Задачей программы является разбивка всех карт цементируемых швов плотины на группы с одинаковыми показателями, полученными в результате обработки и анализа результатов всех выполненных работ и наблюдений, выбор из этих групп определенного количества характерных карт и назначение для них комплекса контрольных работ.

Предлагаемая методика послужила основой для «Программы контрольных работ оценки качества цементации температурно-усадочных швов арочной плотины Ингури ГЭС» (прилож.4).

6. Качество цементации швов оценивают на основании анализа результатов, полученных по каждому виду контрольных работ, сопоставляя их с критериями качественной цементации швов, полученными теоретически, экспериментально или на основании опыта, приобретенного при выполнении аналогичных работ на других объектах. Для этого могут использоваться предлагаемые практические критерии для различных видов контрольных работ.

Результаты оценки качества цементации могут быть распространены на группу карт с аналогичными показателями цементации.

Заключение

.

В связи с развитием отечественной практики строительства высоконапорных бетонных плотин накоплен большой практический опыт их омоно-личивания. Выполненные экспериментально-исследовательские работы и натурные наблюдения изменили многие ранее бытовавшие представления о термонапряженном состоянии плотины и раскрытии швов, статической работе её столбчатых массивов при цементации швов, гидравлике движения цементного раствора в швах.

Однако, несмотря на значительный практический опыт, полученный при цементация швов высоконапорных отечественных плотин, до настоящего времени отсутствуют общегосударственные нормативные документы, регламентирующие проектирование и производство работ по омоноличиванию таких плотин цементацией строительных швов. Вследствие этого основные проектные решения принимались на базе отечественного опыта и материалов, приведенных в переводной литературе, что не всегда было обоснованно.

Отсутствие единых технологических норм и единых критериев оценки качества цементации швов вынуждало для каждой плотины разрабатывать индивидуальные нормативные документы.

Для решения некоторых из вышеупомянутых проблем автором или при его непосредственном участии был выполнен комплекс теоретических и опытно-производственных исследований, результаты которых могут служить материалом для составления единых норм на проектирование и производство работ по омоноличиванию плотин цементацией строительных швов.

В результате этих исследований:

Предложены новые конструкции и способы монтажа цементационных систем и контурных уплотнений карт цементации для условий омоноличива-ния плотин, возводимых с применением сборной железобетонной опалубки.

Предложено «Устройство для омоноличивания бетонных блочных сооружений с вертикальными и горизонтальными швами», позволяющее повысить давление раствора в шве в процессе цементации карты, получить дополнительное раскрытие шва и обеспечить качественное заполнение его цементным камнем. На устройство, признанное изобретением, получен патент РФ № 1 209 756.

Для практической оценки гидравлической проходимости реального шва введено понятие его эквивалентного раскрытия. Предложены коэффициенты для расчета градиента давления в реальном шве для закладных цементационных систем различных конструкций.

Предложены зависимости для определения основных гидравлических характеристик карты цементации: пропускной способности шва в пределах данной карты, герметичности карты и герметичности нагнетательной цементационной системы с клапанными выпусками.

Предложены зависимости для определения оптимального начального состава нагнетаемого раствора.

Предложен и испытан в опытно-производственных условиях наиболее экономичный из применяющихся в практике омоноличивания плотин новый способ отогрева с помощью закладной системы труб, через которую пропускается теплоноситель. Результаты опытных работ по отогреву швов использованы при составлении технических условий на цементацию швов плотин Зейской, Саяно-Шушенской, Бурейской и Богучанской ГЭС, а также при производстве работ по омоноличиванию плотин Зейской и Саяно-Шушенской ГЭС.

Предложены практические критерии оценки качества цементации швов на основании анализа результатов, полученных при выполнении различных видов контрольных работ.