2. Obudowa sztolni. W przypadku prowadzenia sztolni przez skały bardzo zwarte i bez spękań, gdy sztolnia jest bezciśnieniowa, można nie wy­konywać obudowy. Takie sztolnie w energetyce spotyka się rzadko, dlatego że straty hydrauliczne są w nich znaczne. W energetycznych sztolniach ciśnieniowych wykonuje się obudowę, pomimo że koszt jej wynosi przeciętnie 30% całego kosztu budowy sztolni.

W praktyce stosuje się obecnie następujące typy obudowy:

torkretową,

beto­nową,

żelbetową,

torkretowo-żelbetową,

betonową opancerzoną,

tubingową ,

betonową sprężoną.

Czynniki decydujące o wyborze typu obudowy:

Straty hydrauliczne. Gdy charakter i wytrzymałość skał nie wymaga

obudowy, to o jej zastosowaniu decyduje wartość strat hydraulicznych, i badania ekonomiczne. Straty hydrauliczne pociągają za sobą stałe straty w produkcji energii elektrycznej, wobec czego powszechnie dąży się do obniżenia ich przez wyko­nanie gładkich ścian sztolni.

Szczelność masywu skalnego. Skały są zawsze poprzecinane siecią mniej lub bardziej zwartych mikroszczelin, szczelin i pęknięć. Różnorodność tych szczelin i skomplikowany układ sieci powodują w konsekwencji, iż skały - nawet po­zornie zwarte i ciągłe - są jednak przepuszczalne. Ponadto strata wody wzrasta proporcjonalnie do ciśnienia hydrostatycznego panującego w sztolni. Tak więc ze względu tylko na szczelność, sztolnie ciśnieniowe muszą być obudowane, a niekiedy jeszcze dodatkowo uszczelnione zastrzykami cementowymi.

Ochrona skal przed chemicznym działaniem wody. W praktyce, w pewnych przypadkach skała mimo znacznej wytrzymałości ulega rozkładowi pod działaniem chemicznym wody. W przy­padku skał krystalicznych woda może wywoływać dwojakiego rodzaju procesy:

- przekształcenie się skały w masę plastyczną,

- powolny rozkład skał i wyługowanie jej składników.

Tak na przykład łupki anhydrytowe, ulegają pęcznieniu pod wpły­wem wilgoci i tracą wytrzymałość. Skały te wymagają specjalnej ochrony wodoszczelnej.

Właściwości mechaniczne skal. Decydujący wpływ na wybór typu obudowy ma wartość ciśnienia wody w sztolni i właściwości mechaniczne górotworu. W każdym przypadku o doborze powinna decydować analiza wytrzymałościowa.

Konstrukcja obudowy sztolni energetycznych

Obudowa szto1ni bez ciśnieniowych. Sztolnie bezciśnieniowe pra­cujące na parcie poziome i pionowe górotworu, parcie wewnętrzne wody o swo­bodnym zwierciadle i ciężar własny obudowy są zwykle wykonywane o prze­kroju zbliżonym do prostokątnego, owalnego lub w postaci podkowy (rys. 3-148).

Strop sztolni bezciśnieniowej jest zawsze ukształtowany w postaci luku koło­wego lub parabolicznego, co zapewnia dobry rozkład naprężeń w obudowie sztolni i w górotworze w sąsiedztwie sztolni. Zależnie od warunków geotech­nicznych i metody drążenia sztolni stosuje się następujące rodzaje obudowy:

1) torkretową - stosowaną w wyjątkowo dobrych warunkach skalnych, gdzie górotwór przenosi wszystkie obciążenia,

2) betonową monolityczną - stosowaną w takich warunkach geotechnicznych, gdy wyłom może pozostawać nieobudowany i niechroniony przez dłuższy okres czasu,

3) z prefabrykowanych elementów żelbetowych - stosowaną w skałach spę­kanych,

4) betonową wzmocnioną konstrukcją stalową - stosowaną w trudnych wa­runkach skalnych, gdzie wyłomu nie można pozostawić bez pod­parcia.

Sposoby wykonywania różnych systemów obudowy przedstawiają się jak następuje:

Obudowa torkretowa. Sztolnia energetyczna, która w bardzo dobrych wa­runkach skalnych jest budowana bez obudowy nośnej, musi mieć ściany dosta­tecznie gładkie. Efekt ten można uzyskać albo poprzez wła­ściwe drążenie skały, albo przez wyrównanie wszelkich nierówności i zagłębień za pomocą torkretowania. W przypadku, gdy sztol­nia drążona jest w wyjątkowo twardej skale, wystarczy nałożyć torkret w po­wstałe zagłębienia skalne (rys. 3-157).

Zamiast torkretowania ściany sztolni mogą być obetonowane. W tym przy­padku wykonuje się zwykle niepełną obudowę betonową do poziomu zwier­ciadła wody (rys. 3-158). Aby taka obudowa była trwała i dobrze związana ze ścianą, jej grubość powinna wynosić przynajmniej 15+20 cm.

2. Obudowa betonowa. Wykonanie takiej obudowy może być łatwo zmechanizowane, ale zależnie od warunków geotechnicznych. W skałach dostatecznie wytrzymałych, obudowę można realizować z betonu nie zbrojonego, jednakże grubość jej nie może być mniejsza od 20+25 cm (rys. 3-159).

W skałach o gorszych właściwościach mechanicznych, w górotworze spęka­nym i wywierającym znaczne parcie pionowe, konieczne jest podparcie stropu wyłomu przed wykonaniem obudowy. Pod­parcie stropu wyłomu można zrealizować za pomocą luków wspierających, albo za pomocą ram wspierających. W pierwszym przy­padku sztolnię drąży się tylko w obrębie sklepienia, które podpiera się żelbe­towymi lub stalowymi lukami, osadzonymi z kolei w wydrążonych niszach (rys. 3-160). Pod osłoną owych luków realizuje się drążenie pozostałej części galerii, po czym wykonywa się betonowanie obudowy. Gdy górotwór wykazuje znaczne parcie poziome, zamiast łuków ustawia się ramy stalowe w odstępach ok. 0,60+1,20 m. Zarówno łuki jak i ramy zostają obe­tonowane i stanowią element nośny obudowy (rys. 3-161). Montaż zbrojenia jest z reguły trudny i pracochłonny. Stosunkowo łatwo można zmon­tować zbrojenie jedynie w dnie sztolni. Zbrojone elementy obudowy powinny mieć grubość. przynajmniej 15 Cm. Dno przenosi w tym rozwiązaniu znaczne siły rozciągające i wobec tego powinno być zbrojone na rozciąganie (rys. 3-162).

Przy drugim rozwiązaniu dno oddziela się dylatacją od pozostałej części obu­dowy, która tworzy ramę otwartą. To rozwiązanie jest możliwe tylko w gó­rotworach mających znaczną wytrzymałość i wywierających małe parcia boczne, przy dużym -parciu biernym. Dno jest tu niezbrojone, gdyż spełnia w konstrukcji jedynie rolę pomocniczą.

3. Obudowa prefabrykowana. Obudowa prefabrykowana składa się z ele­mentów żelbetowych montowanych bezpośrednio w wyłomie w czasie drążenia sztolni (rys. 3-163). Elementy prefabrykowane z jednej strony wspierają wyłom, z drugiej strony tworzą obudowę sztolni. Przestrzeń między prefabrykatami a skałą zostaje wypełniona betonem, przez co następuje związanie jej z górotwo­rem. Betonowanie tych przestrzeni wykonywa się specjalnymi metodami, które noszą nazwę "prepact" albo "colcrete". Ogólnie rzecz biorąc betonowanie przy pomocy tych metod polega na tym, że przestrzeń za prefabrykatami wypełnia się kruszywem, do którego tłoczy się pod ciśnieniem zaprawę cementową.

Obudowa sztolni ciśnieniowych. Sztolnia ciśnieniowa charakte­ryzuje się tym, że woda wypełniająca jej przekrój znajduje się pod ciśnieniem, które musi być w części lub w całości przeniesione przez obudowę. Ma to wpływ na wielkość i kształt obudowy, bo ciśnienie wewnętrzne wywołuje w niej naprężenia rozciągające. Względy wytrzymałościowe narzucają konieczność budowy sztolni o przekroju koło­wym lub zbliżonym do kołowego.

Stosuje się najczęściej następujące przekroje sztolni:

- przy ciśnieniu do 10 m słupa wody - w kształcie podkowy,

- przy ciśnieniu do 30+40 m słupa wody - owalne, .

- przy ciśnieniu ponad 40+50 m słupa wody - wyłącznie kołowe.

Zależnie od warunków pracy i rodzaju skał obudowa sztolni może być

beto­nowa,

żelbetowa,

betonowa z warstwą torkretową,

betonowa z warstwą żel­betową,

betonowa opancerzona,

prefabrykowana

jako konstrukcja sprę­żona.

Obciążenie wywierane przez wodę znajdującą się w sztolni pod ciśnieniem może być częściowo przenoszone przez obudowę, a częściowo przez górotwór; z tego względu przy wyborze rodzaju obudowy należy uwzględnić następujące dwa czynniki:

- wartość ciśnienia wewnętrznego wody Pw;

- wartość jednostkowego współczynnika podatności sprężystej górotworu ka.

Sztolnie, w których ciśnienie ponad stropem nie prze­kracza 3+5 m słupa wody, mogą mieć konstrukcję obudowy identyczną jak sztolnie bezciśnieniowe. Jednowarstwowa obudowa betonowa monolityczna może znaleźć zastosowanie tylko w wyjątkowo korzystnych warunkach, to zna­czy gdy ciśnienie wewnętrzne nie przekracza 60 m słupa wody i gdy jednost­kowy współczynnik podatności sprężystej ko jest. większy od 200 kG/cm3.

Obudowy kombinowane z wewnętrznym wieńcem z tor­kretu zbrojonego mają zastosowanie w sztolniach o dużym przekroju (przy średnicy ponad 3,0 m) i przy wewnętrznym ciśnieniu przekraczającym 30 m słupa wody. Obudowy opancerzone nadają się przy bardzo wysokich ciśnie­niach panujących wewnątrz sztolni oraz w przypadku dużych prędkości wody.

1. Obudowa betonowa. Chętnie stosuje się obudowy betonowe nie zbrojone ze względu na szybkość ich wykonania. Grubość betonowej obudowy sztolni ciśnieniowej wynosi od 25 do 60 cm. Dla wygładzenia i uszczelnienia betonu od strony wewnętrznej daje się niekiedy warstwę torkretu o grubości ok. 3,0 cm

Zastrzyki cementowe stosowane ze środka sztolni mają na celu dobre związanie obudowy ze skałą górotworu (rys. 3-164).

W górotworach zbudowanych ze słabych i spękanych skał nie ma możliwości wykonania wyłomu bez konstrukcji wsporczej. W takim przypadku konstrukcję taką stanowią zamknięte ramy stalowe montowane czasie drążenia skały. Ramy te zostają zabetonowane i tworzą element nośny obudowy (rys. 3-165), przy czym pracują one zarówno na ciśnienie górotworu, jak i na parcie wody wypełniającej sztolnię.

2. Obudowa żelbetowa. Realizacja obudowy żelbetowej, a szczególnie mon­taż zbrojenia są procesami bardzo pracochłonnymi. W gorszych warunkach skalnych w górnej części przekroju musi być zmontowana konstrukcja nośna, pod osłoną, której wykonywa się roboty zbrojeniowe i betonowe (rys. 3-166).

Zbrojenie obudowy żelbetowej układa się w dwóch warstwach współśrodko­wych.

Dla związania obydwu warstw zbrojenia należy w miejscu skrzyżowania zbrojenia głównego z rozdzielczym zakładać strzemiona montażowe.

3. Obudowa betonowa wyłożona torkretem zbrojonym. Wykonanie obudowy betonowej z wewnętrzną okładziną z tor­kretu zbrojonego jest przedsięwzięciem znacznie prostszym i łatwiejszym, nie realizacja obudowy całkowicie żelbetowej. Idea tego rozwiązania polega na

założeniu, że część betonowa przenosi obciążenie wywierane przez górotwór w czasie budowy sztolni, podczas gdy okładzina z torkretu zbrojonego przej­muje ciśnienie wody wypełniającej sztolnię. Zbrojenie główne okładziny torkretowej jest wykonywane w postaci spirali (rys. 3-167) i dzięki temu może być ono przygotowane na placu budowy oraz dostarczane i montowane w elementach o znacznych roz­miarach.

4. Obudowa betonowa opancerzona. W złych warunkach geotechnicznych i w przypadku bardzo dużego ciśnienia wody konieczne jest wzmocnienie obu­dowy betonowej pancerzem z blachy stalowej. Technologia wykonania takiej obudowy sprowadza się do ustawienia w wyłomie rurociągu stalowego spawa­nego z blach i otulenia go betonem, wypełniającym cały obszar między ruro­ciągiem a skałą. Dla dobrego związania betonu z blachą przypawa się do niej kotwy. Przy dużych obciążeniach rurociąg może być wzmocniony obwodowymi pierścieniami stężającymi z giętych płaskowników lub elementów walcowa­nych (rys. 3-168).

5. Obudowa z betonu sprężonego. Obudowa z betonu sprężonego składa się normalnie z dwóch warstw, tj. wewnętrznej i zewnętrznej. Pod działaniem parcia wody znajdującej się wewnątrz sztolni występują w obu­dowie naprężenia rozciągające, które osiągają największe wartości w wewnętrz­nej ścianie obudowy. Idea obudowy sprężonej polega na tym, aby w warstwie wewnętrznej wywo­łać wstępnie (w nieobciążonej obudowie) naprężenia ściskające tak wielkie, aby pod działaniem obciążenia eksploatacyjnego zostały one zlikwidowane przez ciśnienie wody.

Po wykonaniu wewnętrznej części obudowy z be­tonu zbrojonego elementy stalowe zostają napięte i obetonowane za pomocą zastrzyków cementowych (rys. 3-169).

Na uwagę zasługuje tu obudowa sztolni siłowni Mareges [16, 87], która jako pierwsza tego typu została sprężona w 1934 r. (rys. 3-170). Kable sprężające składały się z 6 zwojów zawierających po 19 żył średnicy 4,15 mm; zostały one rozstawione co 50 cm.

Celem zapewnienia równomiernego sprężenia obudowy wstawia się między obie warstwy albo .blachę falistą (rys. 3-171), albo też blachę specjalnie żebrowaną (rys. 3-172).

1

---