Плотина Бонневиль (США) была окончена в марте 1938 г.
Учитывая величину годового стока р. Колумбии, еще при проектировании плотины было высказано предположение, что бетонные гасители энергии в успокоительном бассейне необходимо будет восстанавливать через каждые 15 лет. Для систематического ремонта гасителей был изготовлен пловучий кессон, который использовался для этой цели в период двух маловодных лет. В связи с необходимостью проведения ремонта в широком масштабе решили оградить перемычкой половину успокоительного бассейна и вести работы насухо.
Считается, что через водослив плотины Бонневиль проходит самый большой расход воды по сравнению с другими плотинами. За 17-летний период паво- дочные расходы колебались в пределах от 7700 до 28300 М3/сек при среднем расходе 16400 м3/сек. Пропускная способность водослива плотины составляет 45400 м3/сек.
До постройки плотины были произведены гидравлические исследования модели плотины с целью определения наиболее выгодных размеров и типа гасителей, чтобы максимально погашать энергию и не допускать размыва русла реки ниже плотины. При этих исследованиях было изучено 40 типов различных гасителей, три варианта поперечных сечений плоти
ны, 12 оголовков и 18 гуськов. Всего было произведено 172 эксперимента для изучения плотины и успокоительного бассейна. На рис. 1 показано поперечное сечение плотины по принятому варианту.
Материалом для гасителей был выбран железобетон без облицовки и бронирования, поскольку нет данных, свидетельствующих о целесообразности их применения. Передние и задние грани гасителей были приняты наклонными, чтобы отклонить течение к поверхности и таким образом уменьшить износ плиты. Обтекаемые формы гасителей были бы более стойкими, но меньше гасили бы энергию потока. По этой причине требовалось восстановить конструкции успокоительного бассейна после 17 лет службы. На рис. 2 показаны общие размеры южной части успокоительного бассейна, в котором восстановительные работы были произведены в маловодный период 1954 и 1955 гг.
Плотина Бонневиль является одним из сооружений, в котором впервые был применен пуццолановый цемент, вопреки критическим утверждениям, что он не годится для сооружений такого типа. Однако результаты осмотра бетонных конструкций после откачки воды не подтвердили сомнения о целесообразности применения пуццоланового цемента. Для приготовления бетона применялся цемент, содержавший 25% пуццолановых материалов. Бетон имел следующую характеристику: максимальный размер очередь укладки бетона; 2—часть плотины, поврежденная во время пропуска строительных расходов и отремонтированная в период укладки третьей очереди бетона; 3—ограждающая перемычка для укладки бетона третьей очереди;
На определенной стадии строительства плотины расход воды пропускался через незаконченные пролеты № 11—17, которые не были забетонированы до проектной отметки на высоту 9,75 м (рис. 1). Некоторое повреждение конструкций успокоительного бассейна произошло в этот период. Часть этих повреждений, находившихся за пределами перемычки для бетонирования третьей очереди тела плотины, уже не могла быть исправлена.
Вскоре после начала эксплуатации плотины осмотром под водой установили наличие повреждений некоторых гасителей и водосливной поверхности плотины. В маловодный период 1940 г. с помощью небольшого пловучего кессона произвели ремонт в пролетах № 16 и 17. Вскоре эти работы были прекращены в связи с войной. Подводным осмотром конструкций в послевоенный период были обнаружены дополнительные повреждения гасителей и водосливной поверхности. Повреждения заключались главным образом в образовании каверн на вертикальных боковых поверхностях гасителей и на водосливной поверхности ниже первого ряда гасителей. Эти повреждения произошли в результате кавитационных явлений, наличие которых установлено при гидравлических испытаниях моделей. Образование каверн началось в первую очередь на верховом ряду гасителей, а после их износа и снижения эффективности начались повреждения и низового ряда гасителей.
В 1941 г. в Технологическом институте Карнеги были произведены исследования с целью установления возможности уменьшить кавернообразование за счет придания гасителям лучшей формы. Исследованиями установили целесообраз
ность закругления всех ребер гасителя радиусом 23 см и устройства криволинейного сопряжения верхней горизонтальной и низовой наклонной плоскостей гасителя радиусом 75 см.
Во время ремонта успокоительного бассейна в 1947 г. с помощью пловучего кессона некоторые гасители были сделаны по типу Карнеги. Ремонт гасителей заключался в удалении поврежденного бетона, установке и приварке арматуры и восстановлении прежних размеров бетонных конструкций. Водосливная поверхность восстанавливалась подобным же образом. Один гаситель был восстановлен в прежнем виде и покрыт листовой сталью толщиной 10 мм.
В результате истирающего действия взвешенных в воде веществ произошло’ сглаживание углов и ребер гасителей, стали шероховатыми водосливная поверхность и наклонные передние грани гасителей. Однако этот вид износа не является значительным, хотя он и достаточно заметен.
Обнажившаяся в результате каверно- образования в боковых гранях гасителей арматура усилила разрушающее действие потока воды. Динамические силы, которые через арматуру передавались бетону, приводили к большему разрушению, чем. в случае, если бы арматуры не было. Наблюдения над интенсивностью углубления каверн на шести гасителях определенно показали заметное увеличение (почти в три раза) темпа углубления каверн в период с 1948 по 1952 гг. по сравнению с десятилетним периодом до
1948 г. Глубина образовавшихся до
1948 г. каверн соответствовала толщине защитного слоя бетона.
В действительности, требовалось лишь заанкерить гаситель по центру, чтобы удержать его против опрокидывания,, поскольку каждый гаситель забетонирован в штрабе глубиной 0,6 м. Считается необходимым армировать конструкцию, чтобы ее усилить, однако в данном случае наличие арматуры вблизи поверхности привело к увеличению износа боковых граней гасителей и водосливной поверхности.
В то время как общее состояние бетона было лучше, чем ожидалось, каверны на гасителях и на поверхности водослива ниже гасителей достигли такого размера, что дальнейшее их увеличение привело бы к нарушению гидравлических условий в успокоительном бассейне и ниже, в русле реки. В этих условиях возникала реальная опасность подмыва флютбета. Таким образом, ремонт был предпринят во-время, что позволило избежать больших затрат. Основная часть стоимости ремонта заключалась в стоимости устройства перемычки.
Как правило, образование каверн начиналось на боковых гранях верхового ряда гасителей и ниже их, на водосливной поверхности, в первые же годы эксплуатации. Каверны на боковых гранях гасителей появлялись в результате создания вакуума при обтекании ребер гасителя потоком воды большой скорости. Образование каверн на водосливной поверхности у гасителей объяснить не столь легко. Аналогичны условия кавернообразо- вания и на низовом ряде гасителей и прилегающей к ним водосливной поверхности, однако там наблюдались значительно меньшие повреждения.
Во время ремонта в 1947 г. часть поврежденных гасителей при восстановлении была сделана по типу Карнеги. Все гасители типа Карнеги оказались менее поврежденными по сравнению с обычными, но при этом надо учитывать, что они претерпели пропуск всего 8 весенних паводков, в то время как через остальные прошло 17 павЬдков.
Во время ремонта, произведенного в 1940 г., часть восстановленной водослив
ной поверхности в пролете №16 была покрыта по свежеуложенному бетону мелкими кусочками металла, вдавленными в бетон. При осмотре в 1954 г. эта часть поверхности водослива была в лучшем состоянии, чем остальная.
Как ранее упоминалось, один гаситель во время ремонта в 1947 г. был облицован листовой сталью. Неизвестно, сколько времени облицовка оставалась на месте, но очевидно, что кавитационные силы быстро разрушили облицовку в обычных местах образования каверн, после чего динамические силы вызвали «усталость» металла и окончательное разрушение облицовки. Из всей облицовки остались только куски в основании гасителя (рис. 8).
Неравномерное повреждение отдельных гасителей является последствием неодинакового качества бетона и неравномерного пропуска воды через отдельные пролеты.
Ремонт бетонных конструкций успокоительного бассейна произведен с учетом результатов испытания модели в Бонневильской гидравлической лаборатории. В результате исследований было решено осуществить два мероприятия. Первое из них заключалось в применении улучшенных гасителей типа Карнеги, благодаря которым уменьшалась кавитация. Вторым мероприятием было устройство массивного порога по оси низового ряда гасителей. Размеры поперечного сечения порога несколько превышали размеры гасителя. Еще одно изменение конструкции водослива в интересах экономии заключалось в общем подъ’еме отметок водосливной поверхности и гребней гасителей на 300 мм с целью увеличения толщины нового облицовочного слоя бетона, не прибегая к удалению старого бетона.
Рассматривался также вопрос об облицовке гасителей резиной. Большие размеры гасителей, отсутствие опыта крепления резины к бетону, большая стоимость и возможная задержка в работе исключили этот вариант.
При восстановлении гасителей арматура применялась в минимальном количестве. Бетонная поверхность гасителей была тщательно очищена, нарушенный бетон и выступающая свободная арматура удалены. Чтобы связать облицовочный слой нового бетона со старым, в тело гасителей были заделаны анкера, к которым прикреплялась арматура (рис. 9). Арматура укладывалась не ближе 150 мм к поверхности бетона, чтобы она не обнажалась при образовании каверн и не послужила причиной дальнейшего разрушения гасителей.
Гасители низового ряда были включены в новую конструкцию порога, общая отметка которого также была подня
та на 300 мм (рис. 10). В тело гасителей и в водосливную поверхность между ними также были заделаны анкера для связи нового бетона порога с бетонной поверхностью водослива и гасителей.
Изношенные бетонные поверхности водослива плотины выше гасителей были восстановлены путем нанесения раствора способом торкретирования с последующей затиркой. Обработанная подобным образом в некоторых местах 17 лет назад поверхность водослива оказалась в хорошем состоянии. Раствор применялся состава 1:3, но учитывая отскок песчаных частиц при торкретировании, фактический состав раствора был ближе к 1:2.
Работы по ремонту водослива плотины в пролетах № 10—17 продолжались с 23 ноября 1954 г. по 15 марта 1955 г.
Бетон для восстановления гасителей и водосливной поверхности был подобран с большой тщательностью. Известно, что бетон, имеющий минимальное водоцементное отношение и большую прочность На сжатие, является одновременно наиболее стойким против износа. Подбор заполнителей для бетона был предпринят за год до начала работ. Петрографические исследования имеют большое значение при сравнении качества заполнителей различного происхождения. В данном случае на основании петрографических исследований произведены сравнения по таким признакам, как выветривание, во- допоглощение, наличие мягких частиц и др.
Были сделаны также пробы бетона с целью определения водоцементного отношения и прочности бетона на сжатие. Несмотря на весьма низкое водоцементное отношение, равное 0,31, бетон был вполне удобообрабатываемый благодаря большому содержанию цемента. Температура твердения бетона в натуре была благоприятной и конечная прочность нового бетона вполне удовлетворительной.
Бюро мелиорации разработало кавитационную установку типа Вентури и провело исследование для определения вида бетонных смесей, способных лучше противостоять кавитационным силам. Эти исследования включали также изучение покрытий поверхности бетона для увеличения сопротивления.
Было решено использовать эту установку Бюро мелиорации для проведения дополнительных опытов с целью получения более точных данных относительно обработки поверхности бетона. Как упоминалось, употребление металлической поимеси для упрочнения бетонной поверхности водослива дало хорошие результаты. Этот вид обработки поверхности был включен в программу испытаний. В программу включили также испытание абсорбирующей опалубки. Одновременно испытывались опалубки из фанеры и металла. Один из видов фанерной опалубки приспособили для вакуумирования бетона с целью удаления влаги до начала схватывания бетона. В результате этих испытаний были получены необходимые данные относительно типа опалубки и деталей обработки поверхности бетона при производстве ремонтных работ. Чтобы оценить результаты этих испытаний, измеряли величину износа образцов в конце испытания. Этот результат выражался в количестпе часов экспозиции, необходимой для износа поверхности на глубину 25 мм. В связи с тем, что эти данные были получены экспериментальным путем с помощью специального оборудования, они могут быть использованы только для относительного определения продолжительности жизни сооружения под влиянием кавитационных сил.
Полученные сравнительные данные показывают большое сопротивление кавитации поверхностей бетона, покрытых металлическими примесями и забетонированных в абсорбирующей опалубке. Эти данные показывают, что сопротивление такого бетона в 4 раза больше по сравнению с бетоном, уложенным в обычную фанерную опалубку, и в 8 раз больше по сравнению с бетоном, уложенным в стальную опалубку. Все образцы показаны на рис. 11.
Считается, что эти данные относительно влияния кавитационных сил на бетон пригодны и для оценки сопротивляемости бетона абразивному износу.
Практическим выводом из произведенных испытаний было применение аб
сорбирующей опалубки там, где она требовалась. Применение абсорбирующей опалубки снижало водоцементное отношение на 0,05 и уменьшало пористость бетона. Полоса водосливной поверхности шириной 1,8 м ниже верхового ряда гасителей, наиболее подверженная каверно- образованию, была обработана добавкой металлической примеси в количестве 24 кг на 1 м2. На остальной поверхности водослива этот материал не применялся, а бетонная поверхность была затерта и позже отшлифована до гладкого состояния. Испытания показали, что шлифовка поверхности уменьшает тенденцию разъедания и кавернообразования поверхности бетона. Было признано непрактичным шлифовать поверхность бетона, отделанную металлическими добавками.
