Оперативный контроль за качеством цементации швов при строительстве бетонных плотин

Актуальность проблемы. В целях экономии топливных ресурсов в стране на ХХУ1 съезде КПСС приняты важные решения по дальнейшему использованию гидроэнергетического потенциала и строительству гидравлических и гидроаккумулирующих электростанций на всей территории Советского Союза,.

Центральный Комитет КПСС и Совет Министров СССР в Постановлении «О программе строительства гидравлических и гидроаккуму-лирующих электростанций на I98I-I990 года» отмечают / I /, что в осуществлении программы гидроэнергетического строительства достигнуты значительные успехи. По уровню технических решений, применяемому новейшему оборудованию, накопленному опыту строительства гидротехнических сооружений советская гидротехника занимает передовые позиции в мире.

Перед советскими строителями-гидротехниками стоят грандиозные задачи — вводить в строй как можно больше плотин с высокими напорами, строить их быстрее, дешевле и надежнее.

Высокие бетонные плотины при возведении и эксплуатации систематически подвергаются воздействию температур наружного воздуха и воды в водохранилище, а также экзотермическому разогреву, возникающему при твердении бетона. Суммарное воздействие этих факторов создает в бетонной кладке плотины очень сложное и постоянно изменяющееся термонапряженное состояние. Расчеты термонапряженного состояния показывают, например, что от изменения температуры в бетонных блоках плотины развиваются как сжимающие, так и растягивающие напряженияпоследние в ряде случаев могут намного превышать напряжения от собственного веса.

В случае превышения растягивающими напряжениями допускаемых величин — в бетонных массивах могут образовываться трещины, которыв нарушают монолитность сооружения. Для предотвращения этого явления и его последствий применяются различнне способы разрезки плотин на блоки бетонирования.

В настоящее время наиболее распространенной в отечественной и зарубежной практике строительства высоких бетонных плотин является столбчатая разрезка. Основной причиной широкого распространения способа столбчатой разрезки является возможность обеспечения трешиностойкости бетона при одновременных высоких темпах строительства. Особенностью столбчатой разрезки является возведение плотины отдельными столбами и последующая цементация швов между ними.

За последние 20 лет в СССР с применением цементации швов построены крупные бетонные плотины Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Зейской, Чиркейской ГЭС, продолжается строительство плотин Ингурской и Саяно-Шушенской ГЭС и ряда других. Цементация строительных швов производится в процессе возведения сооружения, после охлаждения бетонной кладки до средне-многолетних температур и достижения максимальных величин раскрытия швов. Цементация ведется с опережением подъема уровня воды в водохранилище и своим окончанием, практически, определяет начало и темпы его наполнения. Высокое качество цементация швов обеспечивает надежную передачу усилий от столба к столбу (а в арочных плотинах — от секции к секции) и зависит от применяемой технологии, конструктивных особенностейомоноличиваемых сооружений, системы закладной цементационной арматуры, свойств инъектируемых растворов, гладкости поверхности швов и от многих других факторов. Решающее значение при этом приобретает оперативный контроль и оценка качества выполненных работ по цементации швов. Изучение известных способов контроля за качеством цементации швое свидетельствует об ограниченпых возможностях существующих способов, В силу сложившихся обстоятельств, оперативный контроль за качеством цементации швов состоит, в основном, в наблюдениях авторского надзора за соответствием выполняемых работ проектным требованиям, что является недостаточным и поэтому не отвечает задачам современного строительного производства.

Анализ состояния этой проблемы показывает, что в специальной литературе отсутствуют обобщающие исследования по контролю качества цементации швов, нет общепринятой единой методики, позволяющей однозначно оценивать качество выполненных работ. Практически у строителей и проектировщиков отсутствуют научно обоснованные методики контроля за качеством цементации швов в процессе производства работ. Наиболее надежными исследованиями, позволяющими оценить качество омоноличивания сооружения, остаются изучение напряженного состояния плотины и геодезические наблюдения, подтверждающие совместную работу ее столбов. Указанные исследования являются сложными, трудоемкими, очень длительными и дают практический результат спустя определенное время после окончания строительства, когда внести какие-либо коррективы в производство цементационных работ уже невозможно. Вместе с тем, материалы натурных наблюдений за результатами гидравлического опробования и цементации каждой карты, получаемые непосредственно е процессе производства работ, до сих пор практически не использовались для целей контроля качества, что и позволило нам предложить новый оперативный способ контроля.

Отсутствие оперативных способов для определения качества зацементированных швов, а также ведущееся интенсивное строительство и проектирование таких уникальных сооружений, как плотины Саяно-Шушенской, Ингурской, Миатлинской, Богучанской, Бурейской,.

Худонской и ряда других ГЭС делают актуальными проведенные исследования, поскольку рассматриваемые вопросы возникают на каждой строящейся плотине с цементируемыми швами.

Цель работы — комплексно исследовать возможности практического применения натурных данных, получаемых в процессе гидравлического опробования и цементации швов бетонных плотин и разработать научно-обоснованный метод, позволяющий надежно и оперативно контролировать качество цементации в условиях строительства.

Исследованиями затрагивается широкий круг вопросов:

— анализ существующих методов контроля за качеством работ по цементации швов;

— определение физических параметров, выполняющих главную роль при оценке качества цементации швов;

— разработка ннучно-обоснованной методики для установления оперативной оценки качества цементации швов путем создания экспериментально-статистической модели, основанной на использовании результатов натурных наблюдений за процессами гидравлического опробования и цементации;

Научно-практическая значимость исследований заключается в определении критериев и разработке новой методики, позволяющей оперативно и с достаточной степенью надежности судить о качестве выполняемых работ по цементации строительных швов в период возведения плотины.

Научная новизна. На основании анализа материалов, полученных автором в производственных условиях на строительствах высоких плотин Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС, найдены объективные критерии и впервые разработана новая методика оперативного контроля качества цементации швов для всех видов плотин с цементируемыми швами.

Предлагаемая методика позволяет инженерно-техническому персоналу в короткий срок оценить качество работ, и, при необходимости, внести коррективы в производство или их технологию.

Практическая ценность. Результаты исследований, основанные на практическом материале, по цементации швов, позволяют сравнительно просто и с высокой степенью достоверности оценивать качество работ в производственных условиях. По теме исследований получено авторское свидетельство на изобретение (Авт.св.СССР JP72302I, опубл.25.03.80) и опубликовано 14 статей в научно-технических изданиях.

Внедрение результатов. Разработанный способ оперативного контроля качества омоноличивания плотин был опробован при оценке качества цементации швов на строительстве плотины Красноярской ГЭС. В настоящее время оперативный контроль за качеством цементации осуществляется на строительстве плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

На защиту выносятся результаты теоретических и производственных исследований, выполненных автором в ордена Ленина Всесоюзном объединении «Гидроспецстрой» и на кафедре «Гидротехнические сооружения» ордена Трудового Красного Знамени Московского гидромелиоративного института. Результаты исследований при непосредственном участии автора были успешно использованы в работах по омоноличиванию плотин Красноярской, Саяно-Шушенской, Зейской, Ингурской и других ГЭС.

Автор благодарит научного руководителя Героя Социалистического труда, Лауреата Ленинской премии, профессора Германа Константиновича Суханова и заведующего кафедрой ордена Трудового Красного Знамени Московского гидромелиоративного института, Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора Николая Павловича Розанова за руководство и помощь в работе над диссертацией.

Выводы и рекомендации по главе 4.

1. Всестороннее изучение технологии работ показало, что величины расходов воды и цементного раствора, нагнетаемые в карты цементации носят случайный характер. Этш объясняется зависимостью производственных процессов цементации от множества различных факторов. В результате комплексных исследований установлена возможность получать статистические характеристики ряда натурных наблюдений и строить кривые обеспеченности расходов воды, прошедших через карты цементации в момент гидравлического опробования.

На основе разработанной методики создана экспериментально-статистическая модель, позволяющая сравнивать основные технологические характеристики процесса цементации и давать ее качественную и количественную оценки.

2. Для подбора оптимальной величины коэффициента асимметрии С и проверки соответствия теоретической кривой обеспеченности расходов воды фактическим данным,' получаемым в натурных условиях, выполнены расчеты и построены теоретические кривые обеспеченности для различных коэффициентов асимметрии.

3. Используя разработанную научно-обоснованную методику для оперативного контроля качества цементации межстолбчатых шеоб можно определить, что для секций № 6,9,11,17,29 и 34 плотины Красноярской ГЭС работы выполнены с 90-%-ной обеспеченностью.

4. С целью проверки разработанного способа выполнена оценка качества межстолбчатых швов, зацементированных на арочно-гра-витационной плотине Саяно-Нушенской ГЭС в период с 1975 года по 1981 год включительно. Выполненный анализ подтвердил эффективность разработанного оперативного способа оценки качества цементации строительных швов практически для лйбого вида плотины с цементируемыми щеэми.

5. Анализ качества цементации, проведенный для межстолбчатых швов плотины Саяно-Шушенской ГЭС, зацементированных в период с 1975 года по 1981 год (619 карт) с помощью разработанной экспериментально-статистической модели, свидетельствует о высоком качестве работ по омоноличиванию* что оценивается 90−98 $-ной обеспеченностью. Экспериментально-статистическая модель позволяет выполнять оперативный контроль качества цементации на любом этапе строительства плотины.

Глава 5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Результаты оперативного контроля качества цементации швов, полученные для плотин Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС на разработанной экспериментально-статистической модели, подвергали испытаниям на двух этапах.

В первом приближении, найденные оценки качества цементации швов сравнивали с результатами, полученными при анализе качества существующими способами (I этап сравнения).

Затем проводили детальные проверки — вычисляли и сравнивали значения обеспеченности по фактическим расходам воды, ультразвуковому контролю до и после цементации, по количеству закачан? ного цемента на I м шеое, величинам раскрытий зацементированных швов по данным выбуренных кернов, а также сравнивали процентное содержание цемента, поданного е карты растворами различных водоцементных отношений (П этап сравнения).

Качество цементации швов на плотине Красноярской ГЭС.

I этап сравнения. Выполненный традиционными способами анализ качества работ показал (глава 3), что в результате контрольного выбурИЕанпя кернов, в 86,3 $ случаев пересечения скважин со швом обнаружен прочный цементный камень. В 13,7 $ извлеченный керн был сильно разрушен. В большинстве случаев площадь цементного камня занимала от 80 $ до 90 $ площади контактной части шва. Толщина цементного камня составляла в среднем 1,2 мм.

Контрольные нагнетания еоды б пробуренные скважины в 75 $ случаев обнаружили удельные водопоглощения от 0,005 дм3/мин.м^ до 0,018 дм3/мин.м2. В некоторых опробуемых зонах поглощения отсутствовали полностью.

Анализ качества работ по производственным журналам цементации показал, что 93,6 $ Есех карт по плотине были приняты рабочей комиссией с первого предъявления.

По данным Сибфилиала ВНИИГ, который с целью контроля качества, проводил озвучивание 35 швое до цементации и в течении 3-х лет после ее окончания, в 4-х случаях было отмечено незначительное увеличение времени прохождения сигналов. Е целом (88,6 $) проведенные исследования свидетельствуют о плотном контакте между столбами. Геодезические наблюдения института «Ленгидропроект» подтверждают монолитную работу профиля плотины, при этом взаимные перемещения столбов по швам — отсутствовали.

Все полученные данные свидетельствуют о высоком качестве цементации швов и имеют в процентном отношении близкие друг к другу показатели (80 $ - 93,6 $). При этом наблюдается близкое соответствие приведенных показателей и оценки качества цементации швов, полученной с помощью разработанной автором диссертации экспериментально-статистической модели. В последнем случае обеспеченность качества работ составляет 90 $.

П этап сравнения. Для непосредственных проверок действия разработанной экспериментально-статистической модели проводили вычисления обеспеченности по значениям амплитуд и скоростей ультразвуковых сигналов (рис. 5.1 и рис. 5.2). Для определения фактической обёспеченности использовали разности указанных значений до и после цементации (табл.5.1 и табл.5.2). При этом, среднеарифметическая величина разности амплитуд составила Аср=|^=12,87, а среднеарифметическая величина разности скоростей Vcp=^*^i=0,97.

Точки вычисленной обеспеченности наносили нз теоретические кривые экспериментально-статистической модели (см. рис.4.3.). Из рисунка видно, что расчетные (теоретические) кривые расходов еоды yf (условная)j км/сек.

4,0 .3,0.

2,0 1,0 J До цементации.

— После цементации.

Номера точек прозвучввашш.

— i-1−1-1−1t I.

2 4 6 8 10 12 .14 16 18 20 22 24.

4.0 i.

3,0 3,0.

Х.о о.

V (условная^км/сек а) — — До цоыентащге ¦'" 1 ¦'¦ Пооле цевентацва ¦ ¦>

Ноиора точек прозвучзвапяя.

3 4 6 8 Ю 12 14 16 18 20 22 24 б) eu.L.S.iJoAOHOSBa).

Pec, 5,2. Амплитуду принятых ультразвуковых сигналов до, а после цементации, Плотана Красноярской ГЭС, секции & 33-П-7(а) я й 34-Г1−7 (б). (По данным наблюдений Свб. филиала ВНИИгУ.