В настоящее время в практике мирового шютиностроения все более отчетливее прослеживается тенденция к строительств плотин из грунтовых материалов. Это объясняется как экономическими соображениями, так и большой степенью надежности их работы (41)*.
Наряду с этим требуется проводить большой объем работы по устройству противофильтрационннх элементов в плотинах из грунтовых материалов" Все это ведет к необходимости разрабатывать и широко применять в гидротехническом строительстве новые црогрессивньш конструкции противофильтрационннх устройств, обладающих высокой технико-экономической эффективностью, надежностью ж долговечностью.
Начиная с 30-х годов, по устройству противофильтрационных элементов в плотинах из грунтовых материалов, облицовки бассейнов различного назначения, крепление берегов рек и морей получили конструкции из различных составов асфальтобетонов (3.5.8.63.80). ч * •.
Широкое применение асфальтобетонов в подобных сооружениях объясняется целым рядов преимуществ выполняемых из него покрытий. Высокая водонепроницаемость и водоустойчивость асфальтовых материалов позволяют выполнять экраны и диафрапш сравнительно тонкими по сравнению с другими пригодными для этой цели материалами. Термопластичность асфальтобетонов и возможность управлять их свойствами путем соответствующего подбора состава, обеспечивает технологичность (удобоукладнваемость) основных операций по строительству экранов и диафрагм в различных климатических условиях (4.2?.91). Высокая деформативная способность, самоушютняемость от действия возникающих напряжений обеспечивает надежность работы конструкций из асфальтобетонов при значительных деформациях сооружений.
Практика строительства и эксплуатации противофильтрационннх элементов из асфальтобетонов и выполненные экономические сопоставлента показали, что замена экранов, ящер и диафрагм, изготавляемых гз негрунтовых материалов, бетона, железобетона, металла, дерева и других, в некоторых вариантах на асфальтобетонные позволяет ускорить строительство, снизить его стоимость и повысить надежность работы сооружения. Особенно ято характерно при строительстве в высокогорных районах и в суровых климатических условиях. Так, например, замена железобетонного экрана плотины Монтгомери № 34,4мS = 33,5 тыс.м.2- m j = I:, 1,7- Б = 8,5#), построенную в (Ж в 1957 г. ^ на асфальтобетонный экран позволило ускорить возведение сооружения на один год и в два раза сократить его стоимость (33.42.94). Устройство противофильтрационных элементов, экрана или диафрагмы из асфальтобетонов является одним из возможных решений и в тех случаях, когда погодно-климатические условия затрудняют или не позволяют укладывать в противофильтрационные элементы грунтовые материалы, поскольку небольшая поверхность асфальтобетона сравнительно легко противостоит дождям и он может легче подсушиваться и прогреваться. Эвданы и диафрагмы из асфальтобетона можно сооружать даже в сырую погоду и при низких температурах • Примером может служить плотина Эберласт (Н = 28 мV аСф = 16,5 тыс. тоннБ ® 7,5ftm j = I — 1,75: I: 2,5- m 2 = I: 1,75: I :2) входящая в энергетическую систему на р. Циллер в Австрии (1968 г,). Результаты исследований показали, что влажность при укладке грунтового материала в ядре этой плотины должна была быть примерно 10%, что на 2% выше оптимальной влажности, а влажность в естественном состоянии 15%. Подсушивание 150 тыс. м^ грунта оказалось менее выгодно и поэтому был выбран вариант с асфальтобетонной диаф-рагаой (84.90)".
Накопленный опыт по строительству и эксплуатации эхдранов и диафрагм из асфальтобетонов, а также выполненный ряд научно-яссле-довательских работ с асфальтобетоном, как у нас в стране, так и за рубежом говорят о больших возможностях асфальтобетона и о необходимости еще шире применять его в гидротехническом строительстве.
Гидротехнические асфальтобетоны применяемые в гидротехническом строительстве несколько отличаются от дорожных.
Основное отличие заключается в требованиях предъявляемых к гидротехническому асфальтобетону: пластичность, ушютняемость, тепло" и водоустойчивость. Для получения этих свойств в их состав вводится несколько большее количество битума и предъявляются более жесткие требования к минералогическому и гравулометрическому составу наполнителей" а. Классификация гидротехнических асфальтобетонов (в дальнейшем определение гидротехнический опустим, т.к. речь будет вестись только о нем).
1°. Асфальтобетоны классифицируются в зависимости от температуры смеси во время приготовления и укладки:
1. горячие до 180 °C.
2. теплые до 80 °C.
3. холодные без подогрева.
2°. В зависимости от крупности щебня входящего в состав асфальтобетона подразделяются:
1. песчаные частицы до 5 мм.
2. мелкозернистые до 15 мм.
3. среднезернистые до 25 мм.
4. крупнозернистые до 35 мм.
3°. В зависимости от плотности:
1. плотные (гидротехнические) *.
2. пористые (дорожные).
4°. По консистенции снеси:
1. жесткие (уплотняемые).
2. пластичные (укладываемые путем разлива с легким уплотнение") ь.
3. литые (укладываемые посредством разлива)".
• *.
Приведенная классификация асфальтобетонов употребляется в Советском Союзе (44).
Большой опыт по использованию асфальтобетонов в гидроизоляции сооружений накошен в лаборатории гидроизоляции ВНИИГа. Изучение физико-механических свойств, подбор составов в зависимости от назначения асфальтобетонов" анализ обработки. данных натурных наблюдений и др. научные исследования (3.8.21.42.44.63.71.80) позволили. дать рекомендации о составах асфальтовой смеси для устройства проти-вофильтрационных элементов в грунтовых плотинах" Рекомендуемый состав асфальтобетонов приведен в табл.1.
Свойства асфальтобетонов постоянно улучшают за счет введения различных добавок* В последние годы стали применять полимерные добавки — асфальтополимербетон, имеющий повышенную плотность и дефор-мативную способность. Это достигается тем, что в асфальтобетон вводятся полимерные добавки в виде латекса «бекталекс», ЯЭД-1, а также каучука от 6 до 2% по массе (4.44.46.65.96). Наряду с этим постоянно ведутся разработки о возможности применения различных более дешевых материалов в качестве наполнителей не ухудшая свойств асфальтобетона (26)" б. Некоторые требования, предъявляемые к составляет&tradeасфальтобетона (71).
I0″ Требования к биттиу.
Для гидротехнического асфальтобетона в СССР используются вязкие дорожные битумы марок ВДЦ-90/130- ЕНД-60/90 и ЩЦ-40/60 *.
ГОСТ 11 954;66) (ЗДД — битум нефтяной дорожный). I.
СО I Г т—.
РЕКОМЕДУЕМЫЙ СОСТАВ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ." ДНЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЩОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КАМЕННЫХ ПЛОТИН (ПО ВНИИГу).
Таблица I.
Т" .
Щебень или гравий 15*35мм.
ЩеДень или гравий 54−15мм.
Отсев или крупнозернистый кварцовый песок.
Минеральный порошок.
Активатор поверхности.
Битум марки БНДб00-БНД9030.
Процентная дозировка составляющих.
Т «.
Уплотняемый! Пластичный I ЛитойI Литой раствор
ФП*^д5ль" 1 Мелко- ¡-Крупное е^-МелкоI Крупнове^.
83?Н"ШСМЙ I.
45−55.
30−35 16−20 2,0 6−8.
— 1-I I.
I «.
I I I I I I I.
I I I I I I I I I I I I I I 1.
35−45.
30−45 20−24 3,0 в-ад.
25−35 ч.
I I.
— н I I I.
20−25 ! 35−45.
25−35 18−22 2,0 7−9.
I 30−45 I 22−26 | 3,0 I 10−13.
25−35 20−25.
25−35 20−24 2,0 9−11.
70−75 24−28 3,0 14−16.
В качестве активатора поверхности минеральной части асфальтовых материалов используется известь,.
Выбор марки битума для асфальтобетонов производится для каждого объекта индивидуально и не только с учетом климатической зоны района строительства, но и с учетом заложения откосов сооружения, его высоты, его ориентации по отношению к сторонам света, интенсивности волнового режима, толщины льда и др.
Но несмотря на это, как правило, для гидротехнического асфальтобетона рекомендуется применять битум марки ЩЦ-60/90. Битум марки ЕНД-90/130 используется для приготовления асфальтобетонов, предназначенных для эксплуатации в районах с более суровым и резко континентальным климатом. Битум марки НЩ-40/60 используется в смесях, к которым предъявляется повышенное требование по теплоустойчивости. Основные требования предъявляемые к свойствам этих битумов приведены в табл.2″.
2°. Требования к щебню и гравию.
Рекомендуется применять для приготовления асфальтобетонов щебень и гравий из изверженных (граниты, диабазы, базальты, сиениты, кварцевые порфиры) и метаморфических основных и осадочных карбонатных пород с пределом прочности на сжатие не ниже 40 МПа. Не допускается применять щебень из глинистых известняков и глинистых песчаников. Асфальтобетонная смесь также не должна содержать комков глины и суглинка. Количество глинистых и пылеватых частиц в щебне и гравии не должно быть более 2%, Большее содержание глинистых и пылеватых частиц ведет к уменьшению сцепления битума с наполнителем, а также способность глинистых частиц набухать в воде, что сказывается на физико-механические свойства асфальтобетонов.
3°. Требования к песку.
Применяется природный фракционированный и дробленный песок с модулем крупности (Мд) не менее 2* Количество пылевидных, глинистых частиц не должно превышать в песке 3% по весу, а содержание органических примесей 1%.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ АСФАЛЬТОБЕТОНОВ.
Таблица 2.
IПоказатель свойства асфальтобетонов.
НАИМЕНОВАНИЕ |.
I ПИПЙР’ТО Ь———.т————Ь————Г————свойств ! ного Улучше-| ного [ Нормаль-] ного Улучше-ного.
Предел прочности на сжатие кг/см^ при 2ОоС (И20)не менее при 50 °C (Ц 5о) не менее 25 12 1 | 30 15 ————- 16 6 20 8.
Коэффициент теплоустойчивос-п ти К= — не более т р-50 1 Коэффициент водоустойчивос;
3 2,5 4 3,5.
1 ти при испытании под вакуи- яао мом Кв = -г Н-ао 0,85 0,90 0,75 0,8 Коэффициент эластичности 1 ^ = -7—— в пределах | Яго 2,0−3,0 2,0−2.8 2−4 2−4 Остаточная пористость в.
1 пределах (,%) 1−3 1−2,5 6−20 4−8 Водопоглощение под вакуумом (% объема) не более 2 1,5 5−18 3,5−7,5.
Набухание под вакуумом (%) не более I 0,5 ;
1 1. 1 1 1.
— и.
4°. Требования к порошкообразному наполнителю.
В качестве минеральных порошков используются искусственно измельченные известняки и доломиты с прочностью не менее 20 МПа, основные металлургические шлаки, цемент, пылевидные отходы промышленности: зола каменного угля, сланцевая зола, цементная пыль. Содержание водорастворимых соединений в порошкообразных наполнителях не должно превышать 0,5 $, глинистых частиц 1,5 $.
Приготовленный из таких компонентов асфальтобетон должен отвечать основным требованиям, предъявленным к физико-механическим свойствам асфальтобетонов, которые приведены в табл.2. в/ Каменные плотины с экраном из асфальтобетона.
В развитии конструирования асфальтобетонных экранов можно отметить несколько периодов.
Первоначальны! период использования асфальтобетонов в экранах плотин из каменной кладки и наброски начался в 30-х годах со строительства алжирских плотин Боу-Ханифия, Эль-Гриб и Ириль-Эмда, когда асфальтобетон использовали только в качестве гидроизоляционной прослойки, прикрытой для теплоизоляции железобетонными плитами из пористого бетона, подвешенными к гребню шготин (8,33,34,47).
Опыт работы первых сооружений (железобетонные плиты на плотине.
Эль-Гриб обвалились) дал возможность проверить надежность асфальтобетонного экрана через 20 лет эксплуатации. Эти исследования велись в трех лабораториях: лаборатории гражданского строительства Алжира, лаборатории электричества и газа на плотине Ириль-Эмда и лаборатории «Рояль Датч Шелл» в Амстердаме. В результате испытаний были получены следующие выводы. а/ Первоначальное содержание битума 8 $ уменьшилось до 7−7,5 $ без нарушения водонепроницаемости асфальтобетона. Пористость асфальтобетона колебалась от 0,4 до 5,3 $, коэффициент фильтрации ШО" 6 * 2×1(Г7 сэд/сек. б/ Физические свойства асфальтобетонных слоев устанавливались на образцах, взятых на различных по высоте плотины местах. При 50 °C у этих образцов цредел прочности при сдвиге ОД МПа. и угод внутреннего трения 10° • Эти характеристики достаточны для несползания асфальтобетона по откосу плотины.
Период строительства первых самостоятельных асфальтобетонных эхфанов характеризуется стремлением к многоолойности экрана. Таковы экраны на американских плотинах Вони, Монтгомери, Санта-Инез, Санта-Анна из 6−7 слоев асфальтобетона, толщиной до 35 см (47,97). Причем плотина Бонн небольшая по высоте 8 м и длиной 225 м. была опытным сооружением и дала хорошие результаты, послужившие для проектирования и строительства более высоких плотин с эвданом. Но, несмотря на это, только в плотине Хоу-Мстейк, высотой 77 м, такая толщина экрана была оправдана ледовыми условиями, а на других плотинах это привело к чрезмерным запасам. Еа плотине Альма (0=22 м- $ =16 тыс. м^- Б=9%), которая расположена в высокогорном районе на отаетке 3560 м, с зимними морозами до -40°С, большая толщина («Ь «23 см) экрана способствовала его растрескиванию (появилось 8 з^рещин) /45/.
В ФРГ, начиная с плотин Хенне и Хенкель, экраны выполняются из трех слоев с промежуточным дренажным слоем из пористого асфальтобетона или из черного щебня, вода из которого отводится в контролируемую дренажную систему. Причем в плотине Хенне (Н = 59 м) имеется центральная водонепроницаемая асфальтовая диафрагма как зона торможения. Эта зона торможения предназначена для предотвращения разрушения шютинн при внезапном повреждении экрана и возникшей интенсивной фильтрации воды. Кроме того" такое решение возможно также для сейсмических районов /8/. Из опыта строительства аефальтобетонных эхфаиов ж большой уверенностью в их надежности намечается тенденция выполнения более тонких эвданов, как правило, двухслойных из плотного водонепроницаемого асфальтобетона с 10% битума. Например, толщина экрана на плотине Адесани (й=65 м- 5ЭКр-?экр= 13 тыс. м2) во Франции, выполненного из мелкозернистого асфальтобетона, составляет 12 см (20*98), на плотине Нидда /Н£33 и- 6 эвр = ^ тыс. м?/ в ФРГ, также выполненного из мелкозернистого асфальтобетона, составляет 9 см.
Аналогичные облицовки выполняют на дамбах обвалования бассейнов ГАЭС. На бассейне Лудингтон в США, где высота дамбы достигает 52 м, при толщине намораживаемого льда 5 м, хорошо работает облицовка из 10 см плотного асфальтобетона и 5−8 см подготовки /83.93/,.
В настоящее время в зависимости от типа плотины, ее высоты, материалов тела плотины, предполагаемых осадков и условий эксплуатации сооружения используется три вида Э1фанов из асфальтобетонов, а именно, однослойные, двухслойные, трехслойные. рис. В1 /а, б, в/.
Однослойны" мфпу рис. В1 а выполняется из плотного асфальтобетона и укладывается, как правило, непосредственно на откосах невысоких земляных плотин. Материал тела плотины должен обладать большим коэффициентом фильтрации, чтобы не появлялось противодавление под экраном во время эксплуатации водохранилища. К настоящему времени такой тип экрана применен на 22-х плотинах.
Двухслойный экран рис. В1.?. В двухслойном экране верхний водонепроницаемый слой укладывается на нижний дренажный слой. Этот тип экранов использован на 42 плотинах, в которых грунт тела плотины обладает малым коэффициентом фильтрации. В этом случае устройством дренажа исключается возможность возникновения противодавления на экран.
Трехслойный экран (рис.В1 в). Трехслойный эхфан включает в себя два водонепроницаемых слоя из плотного мелкозернистого ас.
— ц.
Цы KCHCTj) l]!'!'j'M ?!pnno? 5.
ПШШМ пористый 6 адштныи.
•яоршьм плотный.
Рис. В.1 фальтобетона и дренажного слоя между ними, выполненного из пористого крупнозернистого асфальтобетона. Этот тип экранов выполняется в каменнонаброс <ных плотинах значительной высоты при больших колебаниях уровня воды в верхнем бьефе. Трехслойные экраны построены на 39 плотинах. Первым сооружением, на котором был применен такой экран, является плотина Генкель /Й = 43 м, m j = I — 2,2, Б=8Д$/ в 1952 г. в ФРГ /2, II/.
Толщина водонепроницаемого слоя в асфальтобетонных экранах назначается не менее 6 см, за исключением нижнего водонепроницаемого слоя в 3-х слойном экране, который устраивается толщиной от 4 до 6 см. На настоящее время насчитывается 119 плотин, где устроен асфальтобетонный экран (8).
Наиболее уникальные сооружения с асфальтобетонными экранами приведены в табл.3. г/ Асфальтобетонные диафрагмы в каменных плотинах Асфальтобетонные диафрагмы в качестве цротнвофильтрационных элементов в конструкции грунтовых плотин стали применяться в 50-х г. К настоящему времени построено около 30 плотин с асфальтобетонной диафрагаой /8.42/.
Асфальтобетонные диафратаы имеют ряд преимуществ перед экранами и устройство ее при определенных условиях может оказаться более экономичными ж лучшими в техническом отношении по сравнению с экраном. Асфальтобетонные экраны, располагаемые, как правило, на верховом откосе плотины подвергаются агрессивным воздействиям при колебании температуры воздуха я изменении уровня вода, а также воздействиям, связанным с льдообразованием, Все это приводит к старению асфальтобетонного экрана и ухудшает его свойства. Яри осадках тела плотины и ее основания, экраны подвергаются весьма интенсивным деформациям. Что касается диафрагм, то благодаря расположению их в теле плотины, действие указанных факторов значительно ослабх/.
НАИБОЛЕЕ ВЫСОКИЕ ПЛОТИНЫ С АСФАЛЬТОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ '.
Эль Лимонеро.
Эриль Эмад.
Мияма.
Негратин.
Широяма.
Гриб.
Эль Сиберио.
Хоумстейк.
Обернау.
Гроне.
Цоккало.
Алезания.
Катаверал.
Татараги.
Венема.
Валмаёар
Панте Лисчионе.
Педу.
Хенне.
Пейпенай.
Бу-Ханифия.
Бигге.
Остумато.
Вохнбах.
Гуаярос.
Риверис.
Генкель.
Йоцо Хонао.
Монзонарес.
Дикуедефермос елли.
Штейнбах.
Инрерст.
Монтгамери.
Хордол.
Нагольа.
Высота плотин м.
Таблица 3.
Шложёниё~Шощада верхового экрана откоса тыс. плотины 2.
Испания Алжир Япония Испания Япония Алжир Испания США ФРГ ФРГ Италия Франция Испания Япония Норвегия Испания Италия Малайзия.
ФРГ Янония Алжир ФРГ Япония ФРГ Испания ФРГ ФРГ Эквадор Испания Испания ФРГ ФРГ США Намибия ФРГ х/ Данные таблицы взяты из.
101,0 80,0 75,2 75,0 73,0 72,0 70,0 69,0 69,0 67,0 66,5 65,0 65,0 64,5 64,0 60,0 60,0 60,0 58,0 57,4 55,0 55.0 52,0 48,0 47,0 45,0 43,0 40,0 40,0 35,0 35,0 35,0 34,4 32,0 31,0 1.
33}.
1.5.
1.6 1,9 1,6 1,5.
0−0,67.
1.5.
1.6 1,95 1,75 2.0 1,6.
1.7.
1.8 1,7 1.75 2.0.
1.7 2,15.
0−0,8 0,8 1,75.
1.8 1,6 1,75 2,0 2,25 2,5 1,75 1,75 1,75 1,75 1,70 1,70 1,80.
35,0 47,5 44.7 20,3.
16,1 52,0 28,0 38,5 41,0 13,0 28,0 131 О 12,0 54,0 47,0 15,0 28,0.
23,0 46,0 11,0 25,0 13,8 12,0 11,0.
25.0.
23.1.
16,0 38,5 22,0 40,0 8,0 дается. Также диафрагма создается одновременно с ростом тела плотины, что дает возможность наполнять водохранилища на промежуточI ных отметках.
Наряду с этим имеются ряд вопросов, которые затрудняют устройство диафрагм по сравнению с экраном. Требуется более тщательный подбор состава асфальтобетона для диафрагмы по сравнению с экраном. Это объясняется напряженно-деформированным состоянием диафрапш, которое зависит от многих факторов, одним из которых является ж состав асфальтобетона. За работой и состоянием экрана имеется непосредственная возможность наблюдения. В то же время за диафраотой наблюдения затрудняются или даже невозможны".
Толщина диафрагмы из асфальтобетона может ступенеобразно уменьшаться в зависимости от характера распределения напряжений в теле плотины, причем в средней трети теоретически требуется наименьшая толщина.
Специалисты ФРГ /88/ при строительстве плотин выше 30 м рекомендуют использовать ямпиричесвую формулу для определения толщины диафрагмы.
А =эд. Н ^ 50 см. где о1 — толщина диафрагмы, Н — высота плотины.
Франвузские ученые рекомендуют формулу (1 —. Н > 30 см.
50 см и 30 см это минимальная толщина диафрагмы, определенная из способа производства работ по устройству диафрагмы.
Производство работ по устройству диафрашы зависит от состава укладываемого асфальтобетона. Б различных странах эти методы различаются.
Способ, применяемый в ФРГ и Австрии, заключается в том, что противофаяьтрационный элемент изготовляется из уплотняемого асфальтобетона. Асфальтовая смесь совместно с бутовым камнем укладывается в специальную железную передвижную опалубку и уплотняется с помощью больших вибраторов. Наряду с этим имеются специальные самоходные агрегаты на гусеничном ходу, которые непрерывно, послойно укладывают асфальтобетон и цроизводят уплотнение уложенного слоя.
39.81/.
Хотелось бн отметить способ, запатентованный в ФРГ /$ 12- 84 а, 4/02 Л 1 000 293/, в котором асфальтовая смесь укладывается на откосе одной из призм и присыпается материалом другой, так она имеет в поперечном сечении плотины форму зигзагообразной полосы. Это, по словам изобретателей, устраняет опасность образования поверхности скольжения между верховой и низовой призмами, которая может иметь место при вертикальной или наклонной диафрагме.
Способ, предложенный к применению в СССР, заключается в том, что противофкльтрационный элемент изготовляется из литого асфальтобетона. Формирование диафрагаы осуществляется в разборно-пере-ставной опалубке, в которую подается готовый раствор асфальтобетона и не уплотняется. Другой, предложенный ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева /5.70 /- способ заключается в предварительном изготовлении блоков из асфальтобетона, которые затем стыкуются между собой. — ' * ¦ /.
Способ, применяемый во Франции, заключается в том, что в металлическую скользящую опалубку заливают асфальтовый раствор и затем укладываются камни, которые за счет собственного веса втап-ливаются в смесь. Фактически получается литой асфальтобетон /82/.
Способ, применяемый в Чехословании. отличается от французского прежде всего системой применяемой опалубки, изготовленной из дешевых волнистых стальных листов, которые остаются в теле плоти-щ /82, 92/.
Большое внимание специалисты уделяют вопросу омоноличивания степсов между слоями асфальтобетона, которые неизбежно появляются из условия производства работ, а также самозалечиванию возможных трещин, возникших в диафраше. Этим вопросам уделяют значительное внимание в лаборатории гидроизоляции БНИИБа /25.67/.
Как правильно и эффективно перевозить к месту строительства приготовленную смесь, каким транспортом /в условиях СССР/ - все это рассмотрено и опробовано при строительстве Запорожской плотины /5.22.23/.
Надежность асфальтобетонной диафрагмы во многом зависит от состава переходных слоев, исключая растекание битума из диафрагмы. Поэтому размер вдавленных частиц грунта в диафрагму и выдавливание асфальтобетона в поры грунта не должны превышать 5% толщины диафрагмы, в зарубежном строительстве эта величина ограничена 8% /24/.
В решении этих проблем большая работа проделана специалистами ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. На основе экспериментальных даннчт Касаткиным Ю. Н. даны рекомендации, позволяющие «при известном составе грунта переходного слоя задавать требования к составу и к свойствам асфальтобетона для диафрагмы или при заданном составе асфальтобетона определять требования к составу грунта переходного слоя» /21/. При этом зависимость, по которой определяют вдавливание асфальтобетона в поры грунта переходного слоя или вдавливание частиц грунта переходного слоя в асфальтобетон, имеет вид.
ЛВ6 V где, А — значение величины вдавливания асфальтобетона в поры грунта, ммй — среднее напряжение, действующее в диафрапие на контакте ее с переходным слоем, МПа- 1 — время наблюдения;
ВIР", «Ь — эмпирические коэффициенты.
При этом было рекомендовано, что размер внедрения частиц грунта в тело диафрагмы и выдавливания асфальтобетона из тела, а 5.
6 г.
Сопряжение асфальтобетонной диафрагмы й — 5ез контроля за состоянием уплотнения.
5 — С контролем за состоянием уплотнения Ь — без экраниробания галереи — С экранированием галереи.
1 — диафрагма из асфальтобетона 2- переходная зона. 5-уплотнение ы8а Блока.
4-плотный сВязоньт гринт.
5-оси скбаэсён для нагнетания.
6 — контрольный Водослив? — колектор сбора срильтруювд Ц цем. раствора.
— 2Ь диафрагмы в поры переходного слоя не должен превышать Ъ% толщины диафрагмы.
Данный вид зависимости, видимо, надо считать, как первое приближение, так как должно быть установлено требование к величине.
Все это требует еще детальных разработок. В настоящей диссер тации этот вопрос специально не исследовался.
При возведении асфальтобетонных диафрата серьезное внимание уделяют созданию надежного сопряжения их с основаниями и примыканиям к бетонным конструкциям. Некоторые распространенные конструкции сопряжений асфальтобетонных диафрагм представлены на рис. В2а, б, в, г. д/ Некоторые плотины, построенные с асфальтобетонной диафрагмой.
В настоящее время самыми высокими плотинами с диафрашой из асфальтобетона являются две плотины, построенные в Гон Конге, в соответствии с программой работ по снабжению города пресной водой. Высота одной плотины 107 м, другой 102 м /99/. Для необходимости обеспечить наибольшую сейсмостойкость и надежность в эксплуатации диафрагмы в слунае больших неравномерных осадок основания, предпочтение отдали вертикальной диафрагме, а для более полной передачи напряжений на низовую призму в верхней части сделали ее наклонной в сторону НБ /рис.ВЗа/. В работе по возведению этих плотин принимали участие специалисты из ФРГ /88/. Толщина диафрагаы у основания составила 1,2 м, расход асфальтобетона с 6% битума составил 33 500 м³ и 49 500 м³.
Плотина Ротгкшьдензее в Авспрш имеет диафрагму с заложением откоса 1:1 толщиной 1,2 п. Высота плотины 18 м /рис.ВЗб/. Содержание битума в асфальтовой смеси составило 8%. Крупного заполнителя А> 5 мм — 59 $ /8, 84/.
Рис Вз.
Елотина Хадита в Ираке и Вилюйская КС-Ш в Якутии, разработанные Денгидропроектом, имеют про тиБофиль трационный элемент в виде центрально расположенных диафраш из литого асфальтобетона /рис.3 в, г/. Высота плотины Хадата Н = 56 м, а Усть-Ботуобской плотины Вилюйекой ГЭС-Ш — 60 м /29/. е/ Некоторые научно-исследовательские работы, выполненные для определения работоспособности диафрагмы из асфальтобетона.
1°. Пластические свойства.
Пластические свойства асфальтобетона определяются углом внутреннего трения «Р /град/ и пределом текучести при сдвиге Т /кг/см2/ /8/. Эти характеристики по аналогии с грунтами определяются способом трехосного сжатия. Внутреннее трение зависит от давления, которое сдвигает минеральные частицы относительно друг друга. Угол внутреннего трения определяется по кругам Мора и лежит между 35° для плотного асфальтобетона и 10° для литых асфальтобетонов. Угол внутреннего трения зависит насколько содержание битума в смеси превосходит объем пор. Вид битума и температура не имеют существенного значения для внутреннего трения /8/.
Предел текучести при сдвиге % возрастает с увеличением содержания крупного заполнителя и при содержании 50 $ крупного заполнителя, X -2 кг/см2 /2/. Предел прочности при сжатии равен 50,0 МП/а при «Ь = -Ю°С и скорости сжатия 500×10~51/сек и 1,0 ВД/а при «Ь = +20°С и скорости сжатия 1,6×10» 51/сек. Данные приводятся для песчаного асфальта на основе битума В — 50/60 Предел прочности при растяжении 4 кг/см2 с продолжительностью наг-ружения 16 мин и температуре +20°С /8/.
2°. Исследование ползучести асфальтобетона с крупным заполнителем /85/.
Опыты производились на установке, показанной на рис.4а. Испытания проводились в стальном цилиндре толщиной стенок 15 мм, о ю.
•с о2 Vо со g.
V о.
О о I— о g о ссг>. d ет^ • ' • Л гочг 10 о л: «=- о).
— f.
CJ си.
Оси 2 Г со диаметром I м, высотой 1,2 и. В нижней части был уложен дренаж переменной толщины из дробленого известняка дан создания условий, неравномерных деформаций и изучения поведения асфальтобетона, при этом дренаж укладывался слой асфальтобетона толщиной 50 см. Асфальтобетон содержал 12,5 $ битума марки 80/100 и крурного камня размером 100−300 мм — 45−50 $. Создавалось давление водой непосредственно на асфальтобетон. В начале испытаний дренаж заполнялся водой. В процессе испытаний устанавливали давление: 0,5 МПа- 0,75 МПа- 1,0 МПа- 1,25 МПа- 1,5 МПаIf75 МПа- 2,0 МПа. Давление изменялось в момент, когда вода переставала вытекать из дренажа. Измерения проводились в течении 190 дней. На рис. 46 представлена картина стабилизации ползучести после приложения ступеней нагрузки. Эти испытания показали отличную водонепроницаемость асфальтобетона даже при 2,0 МПа. Основное, что показали испытания — это свойство асфальтобетона передавать усилие на дренаж. Даже в случае неравномерных перемещений, но при верном подборе состава асфальтобетона диафрагмы и правильном ее размещении в теле плотины диафрагма будет следовать за всеми перемещениями упорных призм, сохраняя прочность и водонепроницаемость. в. Экспериментальные работы с асфальтобетонными образцами, проведенные специалистами ФРГ на приборах трнхоююго сжатия и картины распределения напряжений и деформаций в грунтовых плотинах с асфальтобетонной диафрагмой /81.89/ Во время строительства асфальтобетонной диафрагмы не происходит появления трещин за счет неравномерного сжатия зереистого материала, т.к. несимметричное нагружение диафрагмы наступает в период эксплуатации плотины. Поэтому немецкие специалисты решили оценить напряженное состояние и деформируемость асфальтобетонной диафрагмы в плотине в зависимости от появления в плотине напряжений. В упорной призме из гравийно-галечного грунта /рис.5/ соотu.
2.0 V).
Рис 5 Плотина Высотой 150 И с ассральтоБетонной диафрагмой И упорной призмой из грабийно-гапеччикого грунта. Viaпр9олений, вызываемые действием собственного Веьа^ по Г. Хардту <9?6г.
Хвертикальные напр*э"еениа с) у 5- горизонтальные напр^оления '¿-х 6 — напряжения сдбига Z и X а.
1 Г.
Рис 6 Плотина высотой 150 м.
Упорная призма иъ горной массы.
Напряжения от собственного веса по Г. Хардту 19? в г. ношение напряжений, делящихся следствием собственного веса плотины «приближенно можно оценить, как6 х: ¿-у. = 20: 34, а наибольшая величина сдвигающего напряжения составляет для плотины высотой 150 м — 2 кг/см2. При прибавлении к 6 х значения величины давления воды 15 кг/см2 /пренебрегают уменьшением давления грунта вследствие взвешивания^ получают соотношение6х = 35: 34. В низовой упорной призме из крупнообломочного материала /рис.6/ соотношение напряжений, вызванных^ собственным весом, составляет ¿-х 2 ¿-у — Ю: 20. Если учесть давление воды 15 кг/см2, то? х:6у = 25: 30.
Экспериментальная проверка напряженного состояния и деформируемости асфальтобетона на приборах &-хосного сжатия позволяет определить, является ли уровень напряжений критическим или не представляется опасным. В экс перементах, проведенных А. Фейнером, И. Ленером и А. Лером /рис.7/ /86/, три образца из асфальтобетона подвергались всестороннему сжатию /6 j =63 / в 38, 19 и 10 кг/см2 соответственно. Затем оставляя6 j = const уменьшали (i 3 = ?> 2 и замеряли боковую деформацию 63 • При 6 j = 38 кг/см2 и фи понижении 6 3 до 12 кг/см2 в 3 = 3 $, а при соотношении? g/dj = 9,1/38 в з = 6 $, при дальнейшем уменьшении бокового давления /?3 / образцы начинали разрушаться. В других образцах при соотношении ?3/61 = 2/19 и 1/10 они сохраняли устойчивость. На основании этих экспериментов, сопоставляя с соотношениями напряжений ?" и6т определенных от собственного веса /см"рис.5, 6/ в 150 м плотине, делают вывод прочности диафрагмы даже в таких высоких плотинах с большим запасом надежности.
Проведенные эксперименты и аналогичные для других плотин хотя и говорят о весьма хорошей работе противофильтрационных элементов из асфальтобетона, но в интерпретации экспериментов и расчетов было допущено много условностей:
1. Б расчетах не учитывался асфальтобетон как материал и следовательно не было оценено его влияние на напряжения в призмах и обратно: влияние призм на напряжения в диафраше.
2. Берховая призма вообще в расчетах не учитывалась, а влияние В.Б. учитывалось косвенным образом без учета влияния нелинейных свойств материалов.
3. Нет анализа условий возможного трещинообразования в диафрагме за счет появления растягивающих напряжений при учете давления воды, а также возможности гидравлического разрыва при эффекте зависания диафрагмы на упорных призмах и т. д.
4. В экспериментах отсутствовало исследование влияния состава асфальтобетона на его свойства.
Б последнее время в научно-технической литературе появились работы Н. Ф. Щавелева и Т. Ю. Таибова, связанные с проектированием и расчетом диафрагмы из асфальтобетона в грунтовых плотинах > [ 79~, а также Г. А. Давиденко и В. М. Давиденко о результатах исследований напряженно-деформированного состояния асфальтобетонной диафрагмы в грунтовых плотинах при статических нагрузках [ 14J. Все работы были выполнены во ВНЖГе. В первой работе рассматривается вопрос о проектировании грунтовой плотины с диафрагмой из литого асфальтобетона, при этом, как считают авторы полученных результатов, достаточно, чтобы «знать характер нарастания бокового давления со стороны диафрагмы на грунт телзбооружения и как происходит растекание материала диафрагмы и оседание его во времени». Все это получено на основе аналитического метода решения поставленной задачи с рядом существенных допущений, в частности, об исключении возмож-ноет трещинообразования, а о линейном нараоташи 6 у по высоте диафрагмы, которые могут исказить действительную работоспособность грунтовой плотины с асфальтобетонной диафрагмой.
Во второй работе приводятся результаты расчета напряженно-деформированного состояния грунтовой плотины с асфальтобетонной диафрашой, где грунт и асфальтобетон являются линейно-уивугимн материаламипри этом прочностные характеристики их определены на сдвиговом приборе, что не отвечает действительным условиям, в кото-ных находятся укладываемый грунт упорных призм и асфальтобетон С диафрапш. Поставленная задача рассматривалась только в дщух расчетных случаях при условии мгновенного воздедения плотины: на строительный период и эксплуатационный период. Хотя учет поэтапности плотины, как было ухе доказано" влияет на картину напряженно-деформированного состояния плотины и она существенно зависит от этого. Рассматривается в зависимости от значения модулей деформации грунта упорных призм и укладываемого асфальтобетона эффект зависания диафрашы на упорных призмах, что приводит к снижению значений ?> у по оси диафрапш и возможностей гидравлического разрыва от действия гидростатического давления воды, т. е. возможности появления трещин в диафрагме по горизонтальным площадкам, при этом неясна картина распределения значений 6 у по оси диафрагмы, а также количественной оценки возможностей гидравлического разрыва. Не дается ответ о влиянии распределения напряженно-деформированного состояния плотины от составов асфальтобетона диафрапш, а также их влияние на общую устрйчивость сооружения, но, не-омотря на это, приведенные результаты дают основание авторам сделать вывод о том, что" йи целесообразно допускать применение асфальтовых бетонов высокой пластичности", что также подтверждается и нашими расчетами, как это будет показано ниже.
Интенсивное развитие строительства грунтовых плотин и особенно каменно-зешшных плотин в последние десятилетия, повысило требование к исследованию более надежных и экономичных конструкций. Натурные измерения с помощью специальной аппаратуры, закладываемой в тело плотины, показали сложную картину напряженно-деформируемого состояния [35], что дало толчок появлению методов прогнозирования поведения сооружения и оценки его работоспособности. Имеются метода, построенные на основе анализа натурных наблюдений [36.37.4o] приближенные теоретические методы расчета напряжений [95.2.68] 9 экспериментальные методы определения напряжений как методом фотоупругости [б9.61*], так и методом центробежного моделирования [43.9.32] .
В настоящее время наиболее перспективным методом оценки нанря-женно-деформируемого состояния является метод расчета сооружений на ЭВМ — метод «математического моделирования». Для реализации этого метода необходимо наличие модели грунта и^как способ ее реализации, метод конечных элементов. В качестве модели грунта широкое распространение получили различные модификации деформационной теории пластичности, т.к. они способны отразить нелинейность связи между напряжениями и деформациями, но при этом обладают рядом недостатков, как невозможность учета влияния траектории нагруженин, явление дилатансии, некоаксиальность тензора напряжений и деформаций, что существенно влияет на общую оценку работы сооружения [48]. Существуют различные модефикации моделей этого типа, которые позволяют учесть те или иные факторы, но мы не будем останавливаться на оценках их достоинств и недостатков, т.к. этому уже посвящались райо" [II.49.I7.] .
Большой успех, достигнутый в расчетах нацряженно-дефоршгруе-мого состояния и устойчивости каменно-земляных плотин, необходимо учесть при оценки работоспособности каменных плотин с асфальтобетонными противофильтрационннми элементами. Представление у многих 1 исследователей о невлиянии тонкой асфальтобетонной диафрагмы на общую устойчивость плотины требует исследования и анализа, т.к. по нашему представлению диафрагма — смазка между упорными призмами.
Асфальтобетон является материалом тела плотины и его прочностные и деформативные характеристики сказываются на общей устой чивости сооружения. Воцрос о возможности применения различных составов асфальтобетонов возможно решить только основываясь на экспериментальных. данных с учетом модели материала, реализованной на ЭВМ. Хорошо себя зарекомендовала и дает хорошое совпадение с натурными наблюдениями за каменно-зешишыми плотинами энергетическая модель грунта, предложенная Л. Н. Рассказовым [ 50.56.54.53.57* 51.52.] .
Расчеты нацряженяо-деформированного состояния и устойчивости сооружения с использованием энергетической модели материала позволили не только уточнить напряженно-деформированное состояние, но и уточнить картину распределения коэффициентов запасов устойчивости в плотинах, впервые оценить условия гидравлического разрыва в грунтовых я?>ах. Таким образом, энергетическая модель грунта в сочетании с методом локальных вариаций и МКЭ дала возможность оценить работоспособность самого противофильтрационного элемента. Приложение этого метода к оценке работоспособности каменных плотин с асфальтобетонной диафрагмой позволит выявить роль такой диафрагмы на устойчивость плотины и работоспособность самой диафрагмы в зависимости от состава асфальтобетона, что и явилось целы" данной работа.
Для реализации поставленной цели было необходимо решить несколько задач исследований: а/ выявить в достаточно обобщенной форме влияние состава асфальтобетона на:
1°. его прочностные характеристики как в рамках традиционного условия прочности Мора-Кулона, так и энергетического условия прочности;
2°. деформативные свойства в рамках деформационной и энергетической модели грунтовб/ разработать методику расчета ж исследовать работоспособность каменно-земляноЁ плотины средней высоты с диафрагмой, выполненной из асфальтобетона различного состава, выявить влияние такой диафрагмы на работу призм и работоспособность самой диафрагмы в зависимости от ее составав/ выявить ползучие свойства асфальтобетона в зависимости от его состава и оценить их влияния на работоспособность плотиныг/ дать рекомендации по составу асфальтобетона диафрагм и конструкции плотин с такими диафрагмами".
Новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
1. проведены исследования деформативных и прочностных свойств рекомендуемых в гидротехническом строительстве асфальтобетонов в зависимости от состава в условиях сложнонапряженного состояния" Для выполнения жтих исследований использовалась математическая теория планирования эксперимента. Полученные результаты не имеют себе аналогов в отечественной и зарубежной научно-технической литературе;
2. впервые исследована работоспособность плотины с асфальтобетонной диафрашой на основе ее напряженно-деформированного состояния с учетом деформативных и прочностных свойств асфальтобетона. Впервые исследованы ползучие свойства асфальтобетона в зависимости от его состава.
На защиту выносятся следующие вопросы:
1. Экспериментальные исследования прочностных и деформативных характеристик различных составов асфальтобетонов в рамках энергетической модели материала и условия прочности Мора-Кулона;
2. Номограммы для определения прочностных характеристик асфальтобетонов;
3. Уравнения ползучести при гидростатическом обжатии и на деви-аторном этапе нагружения асфальтобетона;
-•554. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость каменных плотин с асфальтобетонными противофильтрационными элементами и их влияние на общую устойчивость сооружения;
5. Общие результаты исследований и рекомендации о применении асфальтобетонов в плотиностроенш.
Результаты исследований, приведенные в данной диссертационной работе, в настоящее время внедряются при проектировании Чат-Базор-ской плотины в Киргизии в институте «КиргизГипроводхоз» .
ОНДИЕ ВЫВОДЫ И РЖОМЕНДАДИИ.
Проведенные исследования по работоспособности каменных плотин с асфальтобетонной диафрагмой позволили сделать следующие выводы.
I. Особенностью исследований каменных плотин с асфальтобетонной диафрагмой является выявление роли диафрагмы на работоспособность плотины. Для этого, в первую очередь, потребовалось выявить дефор-мативные и прочностные свойства асфальтобетона.
Исследования свойств асфальтобетона в зависимости от его г состава и действующих напряжений, выполненные на аннонее факторного анализа, позволили получить аналитические зависимости типа «свойства — состав 1' Аналитические зависимости для удобства анализа и пользования были номографированы.
2. Получено, что состав асфальтобетона, варьировавшийся в факторном пространстве, выбранном на основе ацриорной информации по исаледованиям ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и других организаций, существенным образом влияет на свойства материала и работоспособность плотин. Только удобство производства работ не может диктовать состав диафрашы, а совокупность производства работ и конструкции плотины (ширина диафрагмы заложения откосов плотины, плотность укладки материала упорных призм) совместно могут дать оптимальный вариант плотины.
Полученные экспериментальные данные по выявлению свойств асфальтобетона в зависимости от состава были статистически обработаны. На основе статистической обработки была проверена адекватность полученных аналитических зависимостей экспериментальным данным. Выявлено, что основными действующими факторами являются содержание битума и крупного заполнителя и, практически, не влияет среднее напряжение.
3. Модуль объемной деформации при единичном напряжении в большей части зависит от количества битума. Значимо и парное взаимодействие. А энергия предварительного уплотнения зависит только от содержания в составе асфальтобетона битума. Даже крупный заполнитель не влияет. Модуль сдвига цри единичном напряжении та^ке как и мо^ль объемной деформации главным образом зависит от содержания битума и в меньшейот количества крупного заполнителя. Но здесь уже не влияет взаимодействие факторов.
Показатели прочности из условия Мора-Кулона зависят не только от перечисленных факторов, но и их взаимодействия. Необходимо отметить, что при содержании количества битума 14 $Р = 7°, С = 0,05 МПа, в то время как при содержании битума 1% «Р ~ 34°, а С — 0,3 МПа. Таким образом, из сопоставления видно, что влияние битума на прочностные и деформативные свойства исключительно велико и всегда следует стремиться к его минимальному содержанию, но не менее 7−6 $, т.к. рри дальнейшем уменьшении содержания битума резко возрастет коэффициент фильтрации.
4. Увеличение содержания битума резко повышает показатели ползучести асфальтобетона. Получено, что описание ползучих свойств асфальтобетона вполне возможно на основе энергетической модели грунта, развитой для учета фактора времени. Наибольшие расхождения расчетных показателей и экспериментальных возникают на первой ступени нагружения, что объясняется отклонением основного показателя нелинейности (показатель степени) за счет предварительного уплотнения образцов.
Отмечено, что в предельном состоянии практически отсутствует равномерное течение, т. е. выявлено только две ветви: а/ затухающая ползучестьб/ прогрессирующая ползучесть. Наличие затухания деформаций или течения в запредельном состоянии объясняется бочкообразованием и, как следствие этого, снижением напряжений. Догрузка образца для поддержания напряжений на необходимом уровне приводит к прогрессирующей ползучести.
5. Исследования работы плотины с асфальтобетонной диафрагмой были сделаны на црииере плотины высотой 47 м. на сжимаемом основании.
Выявлено, что напряженно-деформированное состояние плотины, практически не зависит от состава асфальтобетона диафрагмы, но в самой диафрагме и напряжения, и показатели прочности существенно зависят от состава асфальтобетона.
6. При выполнении диафрагмы плотины из литого асфальтобетона показатели общей устойчивости плотины ниже на 20% показателей при уплотняемой диафрагме. Возможность трещинообразования в уплотняемой диафрагме существенно ниже, чем в ди. гпой что объясняется пониженными значениями сцепления на разрыв в литом асфальтобетоне.
Таким образом, в зависимости от условий строительства (наличия битума, механизмов, опыта строительной организации в работе с асфальтобетоном) необходимо в проекте выбирать конструкцию плотины и разрабатывать технологию ее возведения. При необходимости возведения диафрагмы из литого асфальтобетона может потребоваться опалубку (возможно из пластических масс) оставлять в теле плотины для предотвращения выдавливания битума, как это выполнялось в УССР, при этом потребуется также некоторое уположение откосов плотины.
7. Прогресс в строительстве плотин с асфальтобетонной диафрагмой будет, видимо, в применении уплотняемых асфальтобетонов с малым содержанием битума, что дает возможность иметь передвижную опалубку, более крупные откосы призм и, как следствие этого, меньшую стоимость.
— 1*5эконошческое сопоставление.
В Киргизгипроводхоз на основе рассмотрения нескольких вариантов Чат-Базарской плотины остановились на варианте выполнения ее с суглинистым экраном и устройством верховой перемычки с которой производится инекция сжимаемого основания. Этот вариант обладает рядом преимуществ по сравнению с другими рассмотренными вариантами, где противофильтрационный элемент выпоннлся из грунтовых материалов, рис .П Л. Необходимо отметить что немаловажную роль при этом сыграло обстоятельство возможности проведения параллельно работ иньектированию сжимаемого основания и отсыпки тела плотины, что приведет к сокращению времени окончательного возведения плотины и возможности быстрей эксплуатировать весь комплекс.
На кафедре гидросооружений МИСИ им. В. В. Куйбышева так^же рассматривался вариант Чат-Базарской плотины, но в качестве противофильтрационного элемента была предложена асфальтобетонная диафрагма, возводимая с гребня центрально расположенной перемычки. Центральное расположение перемычки не препятствует параллельному проведению перечисленных работ и поэтому предлагаемый вариант имеет преимущества экономического характера (рис.П.2),.
Для осуществления проекта с экраном выполненного из суглинка необходимо затратить сумму в 10 191 390 рублей, при объеме работ по Э1фану 349 500 мэ и отсыпки тела из гравийно-галечникового грунта 4 658 820 м³.
При осуществлении проекта с асфальтобетонной диафрагмой объем укладываемого материала в тело плотины составит 4 037 050 м³, а объем укладываемого асфальтобетона для устрой.
CJ S aH.
— X cf s.
Ou cf со s s X H.
5g 01 a eu ства диафрагмы 22 790 м³ цри толщине в I м. Общая сумма сооружения составит 9 669 400 рублей. При подсчете стоимости асфальтобетона уложенного в тело диафрагмы были использованы данные приведенные в литературе [ 5 ].
Общая экономия от возведения плотины с асфальтобетоннной диафрагмой по сравнению с плотиной с суглинистым экраном составила 521 990 руб. 522 000 руб.
