Инженерные решения по конструкции и возведению отсекающих плотин

Особенности инженерных решений по конструкции и возведению отсекающих плотин Мезенской и Северной ПЭС

Борткевич С. В.,к.т.н., Юрченко А. Н., к.т.н., Воронин С. Г., ОАО «НИИЭС»

Плотины приливных электростанций, отсекающие заливы от морской акватории, существенно отличаются от плотин речных гидроэлектростанций. Основное назначение речных плотин ГЭС заключается в необходимости максимального накопления и сохранения воды в водохранилище для выработки электроэнергии и водоснабжения различных объектов, а также в обеспечении безопасности территорий в нижнем бьефе от волны прорыва. В противоположность этому, возможное разрушение морских плотин ПЭС не повлияет на безопасность и сохранность береговых сооружений бассейна и моря, а также не потребуется значительных  противофильтрационных мероприятий в теле плотины, при практически неограниченных расходах воды в море и в сохранении при этом горизонта бассейна в течение всего 6 часового цикла полусуточного прилива. В ОАО «НИИЭС» ведется разработка двух проектов: Мезенской ПЭС и ее прототипа — Северной ПЭС. Отсекающие плотины Мезенской и Северной ПЭС будут возводиться при глубинах воды до 30 м в суровых климатических условиях арктического побережья. По створу плотин пологое морское дно представлено 2 — 6-метровым слоем песка на скальном основании, представленным карбонатными породами на Мезенской ПЭС и 20 — 50-метровым слоем песчано-гравийных и гравийно-галечниковых грунтов, залегающих на гранитном склоне на Северная ПЭС.

Максимальная величина приливов составляет 4 — 6 м, высота волны достигает 8 м. Если нагрузки на сооружениях от действия прилива можно учесть по закону гидростатического давления, то воздействие волн более сложно и определяется по СНиП [1] или экспериментальным путем. Модельные исследования волнового давления на волноломы, выполненные в лаборатории морской гидротехники ЧерноморНИИпроекта [2] показали, что на один погонный метр сооружения полного профиля, не допускающего перелив воды и преграждающего путь волне высотой 6,0 м и длиной 75 м, действует суммарная горизонтальная нагрузка 75,7 т, а вертикальная составляет порядка 50% от горизонтальной.

Таким образом, тело из бетона или камня должно воспринимать горизонтальное волновое давление порядка 12 — 13 т/м, и выталкивающее порядка 6 т/м. Соотношение вышеуказанных силовых воздействий на волноудерживающее сооружение и масса каменных глыб, которые для его создания реально можно получить при разработке месторождений, показывает, что волна высотой 6 м и более будет размывать любую каменную отсыпку до тех пор, пока не образуется подводный откос, который не подвержен размыву. Учитывая, что форма камней и гранулометрический состав каменной отсыпки подобны форме частиц и гранулометрическому составу песчаных грунтов, следует ожидать крутизну откоса, образующегося в процессе размыва и гидравлической перекладки каменной отсыпки, практически такой же, которая получается при намыве песчаных грунтов под воду. Эта крутизна зависит от вида грунта основания. Для песчаного основания средняя крутизна откоса составит 1 : 3,5 — 1 : 5, а для илистого — 1:5 — 1:8. Дальнейшее разрушение откоса, сформировавшегося в процессе размыва и гидравлической перекладки каменной отсыпки, не будет происходить вследствие потери свободы перемещения отдельных камней по откосу. Это хорошо подтверждается результатами лабораторных исследований и последующими натурными наблюдениями, выполненными в процессе строительства и эксплуатации защитной дамбы в г. Санкт-Петербурге [4].

Из вышеуказанных соображений следует, что при воздействии на сооружение волны высотой 6 м и более становятся тщетными попытки его крепления отборными каменными глыбами. Целесообразнее применять рядовую горную массу, ориентируясь на последующий ее размыв с формированием волноустойчивого профиля. Учитывая, что отсыпанная под воду горная масса камня ложится с крутым откосом 1 : 1,5, необходимо создание временных берм, ширина которых должна обеспечивать при ее размыве волной получение пологого волноустойчивого откоса. При больших глубинах и протяженности отсекающих плотин их возведение из грунтовых материалов с креплением откосов камнем становится весьма проблематичным.

Мировой опыт проектирования и строительства отсекающих плотин в море показал экономическую и техническую целесообразность их выполнения из крупных наплавных блоков [5]. Такие блоки могут изготавливаться переменной высоты и площади в зависимости от места установки. Изготовление наплавных блоков из железобетона обычно производят в доках, имеющих соответствующую оснастку и обеспеченных централизованной поставкой необходимых строительных материалов. После доставки и установки наплавных блоков в тело плотины они могут заполняться местным грунтом. Применение наплавных блоков позволяет решить задачу индустриализации возведения отсекающих плотин в приливных электростанциях. Наплавные блоки обычно устанавливают в море на предварительно уложенную выравнивающую песчано-гравийную подушку, выполняющую одновременно роль обратного фильтра, находящегося в условиях нестационарных гидродинамических воздействий. По периферии блоков эту подушку укрепляют наброской камня, крупность которого подбирают с учетом скоростей придонных течений, которые возникают вследствие волнения или пропуска воды через гидроагрегаты в процессе действия прилива.

Учитывая длительность штормов на море в арктических условиях и необходимость выполнения подводных работ для создания песчаногравийной подушки, в настоящее время рассматривается вариант установки наплавных блоков непосредственно на морское дно и последующее формирование защитной бермы по основанию вдоль блоков с применением армированных геосинтетических полотнищ [6]. Последовательность технологических операций, регламентируемых данным способом формирования защитной бермы, следующая: после установки очередного наплавного блока на дно акватории с помощью вспомогательного плавсредства из рулонов, расположенных в разбежку двумя горизонтальными рядами на бортовых кронштейнах наплавного блока, поочередно вытягивают армированные металлической сеткой геосинтетические полотнища геотекстиля, которые тут же укладывают на дно в поперечном к борту направлении с соблюдением взаимного перекрытия полотнищ, после чего лежащие на дне полотнища пригружают крупноразмерным материалом (например, каменной наброской), устойчивым к воздействию придонных течений с максимальной прогнозируемой интенсивностью. Крупноразмерный материал в этом случае можно сбрасывать как с наплавных блоков, так и с плавсредств большими порциями без опасения повредить армированные металлической сеткой полотнища. При необходимости временного, до начала пригрузки, удержания уложенного на дно полотнища его можно утяжелить, предварительно (до скатывания в рулон) прикрепив к нему поперечные металлические стержни, что также является одним из отличительных признаков данного способа, практическое использование которого позволит не только ускорить и удешевить работы по внешнему защитному обустройству морского гидротехнического сооружения гравитационного типа, но и уменьшить риск повреждения его основания (рис 1). Важно отметить, что все подготовительные работы, связанные с размещением на бортах наплавного блока рулонов армированной геосинтетики, а также вспомогательных приспособлений, могут выполняться на судостроительном предприятии перед тем, как наплавной блок в надводном состоянии будет буксироваться к месту его установки.

Изготавливать полотнища целесообразно из неткановолокнистых материалов (геотекстилей) толщиной не менее 0,4 см и прочностью на продольное растяжение порядка 500 — 700 Н/см. Для армирования полотнищ можно использовать проволочную сетку «Рабица», которая одновременно будет служить утяжелителем полотнища. Таким образом, обеспечивается без дополнительной пригрузки механизированная укладка полотнищ на дно, без участия водолазов. Крупные наплавные блоки, устанавливаемые в тело плотины, сопрягаются с берегами моря пионерной отсыпкой в воду местных грунтов.

Примером реализации такого решения может служить дамба защиты от наводнения г. Санкт-Петербурга. Эта дамба возводилась практически с одновременной отсыпкой в воду горной массы гранитов, песчано-гравийного грунта и моренных суглинков с некоторым опережением по центральной зоне дамбы [7].


Рис. 1. Способ укладки армированных геосинтетических полотнищ на дно акватории при формировании защитной противоэрозионной) бермы у наплавного блока по [6]:

1— фрагмент борта наплавного блока; 2 — свернутые в рулоны
полотнища армированной геосинтетики, находящиеся на бортовых кронштейнах; 3 — укладываемое на дно (в пределах защитной бермы) полотнище армированной геосинтетики; 4 — плавсредство, при помощи которого укладывают полотнища на дно; 5 — пригрузка полотнищ наброской, устойчивой к воздействию придонных течений

Изыскания строительных материалов показали, что строительство Северной ПЭС будет обеспечено аналогичной горной массой в количестве, необходимом для возведения береговых участков отсекающей плотины. В виду отсутствия местных глинистых грунтов в районе строительства для создания центральной и переходных зон плотины на этих участках предполагается использовать песчано-гравийный грунт из близлежащего месторождения после предварительной сегрегации в промежуточных складах по способу, предложенному автором [8]. На рис. 2 приведен гранулометрический состав песчано-гравийного грунта (гравий слабоокатанный) в месторождении и гранулометрические составы грунтов, которые будут получены методом искусственной сегрегации для их отсыпки в тело отсекающей плотины Северной ПЭС. Коэффициент фильтрации грунта,  отсыпаемого в центральную зону плотины, составит согласно данным ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» не более 10 м/сут [9]. Такие значения коэффициента фильтрации вполне достаточны для удержания объема воды в отсеченной части моря в течение времени, необходимого для обеспечения нормального режима работы ортогональных гидроагрегатов в приливной цикл.

Рекомендуемый типовой профиль береговых участков отсекающей плотины Северной ПЭС приведен на рис. 3. Боковые призмы из камня возводятся с опережением. В образованное ими тиховодье отсыпаются грунты переходных и центральной зон.

Рис. 2. Гранулометрический состав грунтов: 1 — в полезной толще месторождения (песчано-гравийный); 2 — в нижней части склада искусственной сегрегации для отсыпки переходных зон отсекающей плотины (гравийные, слабоокатанные); 3 — в верхней части склада искусственной сегрегации для отсыпки центральной зоны плотины (песчаные)

Рис. 3. Схематический профиль береговых участков отсекающей плотины Северной ПЭС. 1 — гранитная горная масса; 2 — переходная зона из гравийных грунтов; 3 — центральная часть из песчаных грунтов

В районе строительства Мезенской ПЭС горную массу можно получить только из осадочных пород северной краевой части Московской синеклизы, представленных известняками, доломитами и песчаниками. Побережье Мезенской губы, где предполагается строительство отсекающей плотины — это область развития сильно трещиноватых, подверженных карстообразованию нижнепермских доломитов, известняков. Общая мощность отложений по данным изысканий составляет около 100 м. На отдельных участках скальные породы сложены мергелями, глинами, доломитизированными известняками, песчаниками с высокой степенью раздробленности и трещиноватости. Карбонатные породы, распространённые в районе предполагаемого строительства, в основном слабопрочные с низкими физико-механическими показателями.

Опыт разработки таких пород показывает, что получаемая из них рядовая горная масса характеризуется содержанием мелкозема (фракции мельче 2-5 мм) в количестве 20 — 30 % и содержанием фракций крупнее 100 мм в количестве 10 — 20%. Максимальный  размер наиболее крупных обломков 1000 — 1500 мм. Горная масса вышеуказанного гранулометрического состава непригодна для отсыпки в воду, так как будет расслаиваться с выносом мелкозема течением морской воды. Разделение такой горной массы в складах кондиционирования на два вида грунтовых материалов (мелкий, до 100 мм, с содержанием мелкозема более 40% и крупнообломочный, 100 — 1500 мм, практически без мелкозема), позволит производить пионерную отсыпку в море  крупнообломочного материала. Отсыпку мелкого грунтового материала предлагается выполнять в оболочках из геотекстиля, которые будут создаваться посредством укладки полотнищ геотекстиля в кузова автосамосвалов при их загрузке этим материалом и последующего его перекрытия этими же полотнищами геотекстиляс соединением краев поверху.

Следует отметить, что характеристики геотекстиля, примененного при строительстве в море противоштормовой плотины Дельта в Голландии, были следующие: ширина полотнищ 4,9 м, плотность 4400 г/м2, прочность на растяжение в направлении основы 800 КН/м и в направлении утка 80 КН/м [10]. Применение оболочек из геотекстиля позволяет использовать для отсыпки в центральную часть профиля плотины помимо обогащенной мелкоземом горной массы грунты вскрыши — флювиогляциальные пески и суглинки.

Пионерная отсыпка вышеуказанных грунтовых материалов в воду при возведении береговых частей Мезенской ПЭС должна производиться практически одновременно, с некоторым опережением мелкого материала. В этом случае создание переходных зон в теле плотины не потребуется и сокращается объем крупнообломочного материала. Но, учитывая низкую прочность и размягчаемость в воде крупных обломков местных осадочных пород, необходимо будет выполнить укрепление образованных ими откосов искусственными массивами. Применение противоволновых массивов массой 12 — 20 т специальной формы (тетраподы, пентоиды и т.п.) позволяет значительно снизить силовое воздействие от волны и увеличить зацепление между отдельными элементами, поэтому крутизна зоны крепления может соответствовать заложению откоса, полученного при отсыпке горной массы в воду. Предлагаемая конструкция береговых участков отсекающей плотины Мезенской ПЭС в этом варианте представлена на рис. 4.

Выводы

1. В суровых климатических условиях арктического побережья для создания отсекающих плотин Мезенской и Северной ПЭС наиболее оправдано применение крупных наплавных блоков из железобетона.

 

Рис. 4. Схематический профиль береговых участков отсекающей плотины Мезенской ПЭС.
1 — центральная часть плотины из мелкого грунтового материала (до 100 мм) в оболочках из геотекстиля;
2 — карбонатная горная масса (100 — 1500 мм); 3 — крепление откосов бетонными массивами

2. Установка наплавных блоков непосредственно на дно моря без выравнивающей подушки и формирование вдоль наплавных блоков защитной бермы по дну армированными геотекстильными полотнищами может существенно повысить темпы строительства и сократить его сроки.

3. Сопряжение наплавных блоков с берегом целесообразно выполнять методом пионерной отсыпки грунтов в воду, который был
отработан на глубинах до 15 м при строительстве дамбы защиты от наводнений г. СанктПетербурга.

4. Для исключения возможности расслоения несвязных грунтов и выноса мелких частиц из них течением морской воды рекомендуется широкое применение искусственной сегрегации с последующей отсыпкой мелкого грунтового материала в море в оболочках из геотекстиля.

5. При возведении береговых участков отсекающей плотины Мезенской ПЭС для крепления ее откосов от волнового воздействия
потребуется применение бетонных массивов массой 12 — 20 т. Откосы из гранитной горной массы плотины Северной ПЭС можно не закреплять бетонными массивами.

Ключевые слова: плотины приливных электростанций, отсекающие плотины, наплавные блоки, местные грунты, оболочки из геотекстиля, горная масса, песчано-гравийный грунт

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М. 1983
2. Бирская О. Ю., Натальчишин Г. Д. Исследование воздействия разбивающихся волн на сооружения неполного вертикального профиля //Гидротехническое строительство. №6. 1982
3. Рекомендации по проектированию намывных плотин (на стадии строительства) П31-86. Л.: ВНИИГ 1987
4. Попов И.Я., Горшукова Н.Н., Певзнер Л.Б., Смирнов В.П., Цыпляева Г.М. Исследования для обоснования конструкции крепления откосов грунтовых дамб комплекса защиты Ленинграда от наводнений //Известия ВНИИГ им. Веденеева. Т. 213 «Научное обоснование проекта комплекса сооружений защиты Ленинграда от наводнений». Л.: Энергоиздат. 1989
5. Бернштейн Л. Б.,Гельфер С. А., Усачев И.Н. и др. Приливные электростанции. В двух книгах. М.: АО «Институт Гидропроект». 1994
6. Жиленков В.Н. Один из способов защиты основания морской нефтегазовой платформы от размыва//Гидротехническое строительство. № 2. 2006
7. Корниенко И. В., Павчич М. П., Пахомов О. Н., Радченко В. Г. Особенности строительства защитных дамб в летних и зимних условиях //Известия ВНИИГ им. Веденеева. Т. 213 «Научное обоснование проекта комплекса сооружений защиты Ленинграда от наводнений». Л.: Энергоиздат. 1989
8. А. с. СССР №162181. ДСП. Способ возведения плотины из неоднородных грунтовых материалов. Борткевич С. В., Скибин А. Н. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15.07.1991
9. Руководство по контролю качества возведения плотин из грунтовых материалов. П45-75/ВНИИГ. Л.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1976
10. Kessels Karl-Heinz, Unternehmensbereich Sulzer Ruti. Die groBte Sturmfiutbarriere der Welt — gebaut auf Geotextilien/Technische Rundschau Sulzer. 2/1990.