Рисунок 5. Принципиальная схема работы затвора -плотины Omval типа "мидия": а - затвор сложен; б - затвор закрыт; в - затвор в начальной стадии закрытия [1]
В Японии первая плотина из гибкой оболочки была установлена в 1964 г. В 1968 г. японская фирма Sumitomo Electric Industries Incorporated приобрела технологию строительства дамб из гибких оболочек у американской компании Firestone, лидера в этой области. Японская фирма в 1977 г. установила первую дамбу из оболочек на территории Китая - в Тайване.
Проблемы эксплуатации первых плотин из водонаполняемых оболочек.
Первые плотины-затворы из мягких оболочек изначально воспринимались как сооружения с ограниченным сроком службы. Компания Firestone гарантировала срок службы резинотканевых оболочек 15 лет [4]. Это было обусловлено малой изученностью долговечности резинотканевых материалов и отсутствием опыта эксплуатации выполненных из них плотин, затворов.
Уже в первые годы применения плотин нового типа проявились проблемы их эксплуатации.
На плотине Sunbury проблемы проявились уже вскоре после завершения работ. Были замечены потёртости на боковых поверхностях оболочек [1]. В июне 1972 г. во время сильного наводнения были разрушены 6 из 7 оболочек. При ремонте 1972-1974 гг. вместо однослойных были применены трёхслойные оболочки, однако это не позволило решить проблему надёжности плотины - требовался постоянный ремонт оболочек.
На временной водосливной перемычке Mangla были выявлены несколько проблем. Было выявлено, что из-за боковых складок не обеспечивается полное опорожнение оболочки. Через несколько месяцев работы были обнаружены повреждения (потёртости) оболочек, а также раскрытие технологических швов [1].
В феврале 1966 г. при пропуске больших расходов наблюдалось нестабильное состояние оболочки. Во-первых, оболочка прогибалась на отдельном участке, местоположение которого постоянно менялось. Этот эффект получил наименование "V-образный прогиб". Во-вторых, происходили значительные продольные и поперечные колебания оболочки. Эти колебания вызваны гидродинамическим действием потока при его сопряжении с нижним бьефом. Колебания оболочки вызывали трение между оболочками и бетонным порогом и в итоге в оболочках образовались разрывы.
Таким образом, опыт первых плотин показал, что:
• При переливе воды гибкие оболочки могут испытывать колебания и истирающее воздействие, которое может привести к их разрушению.
• При неполном заполнении оболочки возникает эффект местного прогиба оболочки.
• Толщина оболочек недостаточна для того, чтобы обеспечить её долговечность. В качестве основной меры по обеспечения стабильного положения оболочки рассматривали повышения давление в оболочке. Между тем, увеличение давления требует использования более толстых, более дорогих оболочек. Для повышения надёжности вместо однослойных стали применять многослойные оболочки.
Опыт применения гибких водонаполняемых оболочек в Советском Союзе
Первая попытка устроить дамбу из гибкой водонаполняемой оболочки была предпринята в СССР в 1963 г. [4]. В качестве материала был использован брезент, покрытый битумной мастикой. Хотя эксперимент оказался неудачным, он позволил показать возможность возведения плотины не только на бетонном, но и на мягком (деформируемом) основании. Для этого из гибкой мембраны устраивались понур и рисберма, покрывающие грунты.
В 1966 г. под руководством О.Г. Затворницкого на мягком основании была построена плотина на р. Китерне в Тюменской области [4]. В качестве материала использовалась ткань на капроне. Плотина имела длину 15 м и высоту 1 м, большую высоту создать не удалось из-за фильтрации швов. В 1967 г. была выполнена плотина высотой 2,5 м, которая смогла проработать не только в летний, но и зимний период. Зимой вода в оболочке замёрзла, замёрзшая плотина смогла выдержать ледоход.
В Чехословакии в 1963-1964 гг. по проекту советских инженеров были построены две плотины из гибких оболочек [4].
В 1970 г. коллективом под руководством Б.И. Сергеева (г. Новочеркасск) были устроены две плотины из мягких оболочек на мягком основании [4]. Одна плотина высотой 3 м и пролётом 22 м была установлена на канале Р-2 Марьяно-Чербургольской оросительной системы в Краснодарском крае. Её водонаполняемая оболочка состояла из двух слоёв резинотканевого материала. Другая плотина - это временная плотина на р. Белой (рис. 6). Высота плотины 1,5-2 м, длина - 24 м. Эта водосбросная плотина была устроена по схеме быстротока.
Новации в конструкциях плотин из оболочек в 1970-1980-х годах.
Основным новшеством 1970-х годов стало использование для заполнения оболочки не воды, а воздуха. Такие плотины называют надувными.
В литературе [5; 6] упоминается, что первая плотина, заполненная воздухом, была построена корпорацией Bridgestone в 1978 г. в Японии. Однако известно, оболочка плотина Penig (Muldewehr Penig), построенной ещё в 1969 г. в ГДР [4], была заполнена воздухом. Заполнение воздухом было выбрано потому, что плотине предстояло работать зимой. В процессе работы оболочка испытывала ледовые воздействия, толщина ледяного покрова достигала 0,5 м.
Надувные оболочки имеют ряд преимуществ в сравнении с водонаполняемыми:
• Пневматические системы заполнения оболочки проще, чем гидравлические, в частности, не требуется очистка воды.
• Заполнение воздухом осуществляется быстрее, чем водой. Например, на плотине Sunbury переход системы наполнения с воды на воздух позволило ускорить процесс наполнения в 44 раза [1].
• Использование воздуха вместо воды исключает образование льда внутри оболочки, коррозию трубопроводной арматуры.
• Давление воздуха внутри оболочке равномерно распределено по высоте, в отличие от давления воды, поэтому заполненная воздухом оболочка имеет меньший объём и другую форму. У надувной оболочки форма - круговая, а у водонаполняемой - приземистая. Благодаря компактности оболочки уменьшалась длина и требуемая толщина полотнищ, что уменьшало стоимость конструкции.
Однако применение воздухонаполняемых оболочек создавало новые технические сложности. Одна из сложностей состоит в том, что надувные оболочки имеют меньшую массу, соответственно, её устойчивость не может быть обеспечена за счёт собственного веса (как у водонаполняемых), а только за счёт крепления. При повреждении надувная оболочка полностью опорожнится быстрее, чем заполненная водой.
Оригинальное решение конструктивное решение надувной оболочки было принято на плотине Penig. Оболочка этой плотины имела высоту 1,10 м [1; 4]. Оболочка состояла из 6 секций шириной по 8 м, воздух к каждой из которых подводился индивидуальной компрессорной установкой.
Оболочка плотины Penig состояла из трёх элементов: внутренней оболочки, заполненной воздухом под давлением выше атмосферного, фиксирующей и защитной оболочек (рис. 7). Фиксирующие и защитное полотнища прикреплены к порогу с верховой стороны с помощью зажима на анкерных болтах, образуя наклонную верховую грань плотины. По замыслу, наличие наклона должно был пригрузить плотину давлением верхнего бьефа, а также придать плотине более обтекаемую форму.
1 - надувная внутренняя оболочка; 2 - внешняя фиксирующая оболочка; 3 - защитная мембрана; 4 - водосливной порог; 5 - анкерное крепление; 6 - бык; 7 - планка крепления мембраны к быку; 8 - воздуховод
Рисунок 7. Схема конструкции плотины Penig [1; 4]
Внутренняя и фиксирующая оболочка были выполнены из однослойной ткани на основе хлоропрена [4]. Защитное полотнище предназначено для защиты от истирания плавающим мусором и льдом, оно было выполнено из семислойного полотна полиамидной ткани с покрытием резиной.
Однако у надувных оболочек остро проявилась вторая проблема - колебания оболочки. Надувные оболочки, имея меньшую массу, чем водонаполняемые, подвержены ещё большим колебаниям.
Этот эффект проявился на плотине Hollerich в ФРГ, на которой в 1975 г. были установлены затворы из гибких оболочек [1]. Оболочки плотины имели высоту 2,05 м, длину 17,6 м, они были выполнены из прорезиненной ткани полиэстера толщиной 4-5 мм. Оболочки крепились только к порогу. В конструкции была предусмотрена дополнительная оболочка для защиты основной оболочки от повреждений.
Уже вскоре после пуска в эксплуатацию одна из оболочек была разорвана, а другая - сильно повреждена. Причиной аварии было признано повреждение плавающим ветками деревьев. При этом специалисты пришли к выводам, что повреждениям способствовали значительные колебания оболочек, не закреплённых по быкам, и что многослойное строение оболочек усиливает негативный эффект колебаний [1]. Была установлена необходимость закрепления оболочки к быкам (устоям).
Таким образом, опыт показал, что использование многослойных оболочек не придаёт оболочке большей надёжности, более эффективно применять более толстые однослойные оболочки.
Третья проблема состоит в том, что надувные оболочки более деформируемые, поэтому в них больше проявляется эффект V-образного прогиба.
Для решения проблемы колебаний в конструкции плотин из гибких оболочек были внесены усовершенствования. Было доказано, что противодействовать колебаниям оболочки можно путём устройства дефлектора или шипов на водосливной поверхности оболочки. Они позволяют оторвать водный поток от поверхности плотины.
В частности, дефлектор был применён на плотине канала Р-2 Марьяно-Чербургольской оросительной системы [4].
Ещё одним новшеством стало применение для оболочек новых материалов. Помимо резинотканевых оболочек стали применяться оболочки из синтетических материалов. В 1970 г. для оболочек фирмы Bridgestone был разработан новый синтетический материал - этилен-пропиленовый диеновый мономер [1]. Он более устойчив к старению, солнечному свету, озону, окислению и другим атмосферным воздействиям.
Новый материал был использован для оболочек плотины Sunbury при ремонте в 1984-1988 гг. [1]. Многослойные оболочки были заменены на однослойную толщину 13,5 мм, что позволило продлить срок эксплуатации без ремонта.
К настоящему времени подавляющее большинство замкнутых оболочек заполняются воздухом, а не водой. Водонаполняемые оболочки применяются в основном в более крупных плотинах, которые испытывают большие нагрузки. К таким плотинам относятся плотины систем защиты территорий от морских наводнений. При этом используют оболочки, заполняемые как водой, так и воздухом, т. к. это позволяет ускорить наполнение оболочки.
Достижения в строительстве плотин из гибких замкнутых оболочек.
Благодаря усовершенствованию конструкций на рубеже XX и XXI веков были достигнуты новые рекорды в строительстве плотин из гибких оболочек.
В 1998 г. была построена плотина с самой длинной оболочкой. Это плотина Las Virgenes в Мексике, которая имеет две оболочки высотой 3 м, один длиной 112 м, другой - 148 м [1].
В 2002 г. была введена в действие самая высокая плотина из гибких оболочек. Это плотина Ramspol в Нидерландах, которая предназначена для защиты территорий от наводнений со стороны внутреннего морского залива. Плотина состоит из трёх секций оболочек, разделённых быками. Полная высота оболочки составляет 8,35 м, но над нормой уровня воды в Амстердаме - 3,55 м (рис. 8). Длина пролёта оболочки снизу составляет 60 м, сверху - 80 м. Ширина оболочки по точкам закрепления - 13 м.
Оболочка наполняется водой и воздухом. Для заполнения оболочки необходимы 3 500 м 3 воды и 3 500 м 3 воды. Максимальное время установки оболочки в рабочее составляет 60 мин, укладки на порог - 180 мин.
Толщина мембраны составляет 16 мм, её плотность (по площади) составляет 19,5 кг/м 2 [5]. Вес оболочки составляет 33 т. В рабочем положении её ширина составляет 15,4 м. При опорожнении оболочки мембрана укладывается на стойки, расположенные в специальной нише (рис. 8).
1 - положение оболочки, когда она заполнена; 2 - положение оболочки, когда она опорожнена; 3 - часть оболочки, заполненная воздухом; 4 - часть оболочки, заполненная водой; 5 - бетонная плита; 6 - металлические стойки; 7 - сваи; 8 - крепление
Рисунок 8. Схема конструкции плотины Ramspol в поперечном сечении [1]
Заключение
1. Становление нового типа плотин - плотин из замкнутых заполненных гибких оболочек происходило в течение двух десятилетий. За это время сформировались основные технические решения этих плотин, были выявлены проблемы строительства и эксплуатации их плотин, а также найдены пути их решения. Основные рекорды плотин из наполняемых гибких оболочек (по длине, высоте плотины) были достигнуты на рубеже XX и XXI веков, т. е. примерно через 40 лет после возникновения плотин этого типа.
2. Среди важных изменений в конструкциях плотин из оболочек следует выделить переход от заполнения оболочек водой наполнению воздухом. Однако это привело к появлению новых технических проблем и новых конструктивных решений плотин, позволяющих решать эти проблемы.