ВЛИЯНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КОНСТРУКЦИЮ УПЛОТНЕНИЙ
В настоящее время развертывается строительство высоконапорных бетонных плотин в сейсмических районах нашей страны: Чиркейская (234 м), Ингурская (270 м), Токтогульская ГЭС (215 м), Саянская (235 м) и другие плотины.
В связи с большими нагрузками на сооружения, появлением значительных растягивающих напряжений, частичным раскрытием различных секционных и строительных швов при землетрясениях, конструктивные мероприятия для повышения сейсмостойкости бетонных плотин и их отдельных элементов приобретают весьма большое значение.
Поиск и разработка наиболее рациональных конструктивных мероприятий, методов строительства, имеющих целью повышение надежности сооружений при землетрясениях, продолжаются во всех странах мира.
Анализ данных зарубежных стран о поведении бетонных плотин при землетрясении приводит к выводу, что вероятность повреждения их не так мала, чтобы не учитывать ее как при оценке стоимости проектируемой конструкции, так и при оценке ее сейсмостойкости. С 1895 по 1972 гг, в районах расположения бетонных плотин во всех странах произошло не менее 30 землетрясений средней и сильной интенсивности и было не менее 10 случаев повреждений различной степени, а без всяких повреждений оказалось более 50 бетонных плотин различной высоты. Следует учитывать также возможные повреждения бетонных плотин, вызванные оползнями или некоторыми сдвигами оснований при землетрясениях.
Основной задачей обеспечения сейсмостойкости гидротехнических сооружений при их проектировании и строительстве является предупреждение возможности их разрушений или таких повреждений, которые могли бы вызвать катастрофические последствия.
Экономически выгодным сооружение является в том случае, если сумма расходов на строительство сооружения и убытков, связанных с возможным ущербом, ремонтом сооружения, будет минимальной.
Статистический анализ повреждаемости бетонных плотин, проведенный нами по 60 бетонным плотинам, испытавшим землетрясения, показывает следующее: средняя частота повреждения арочно-гравитационных плотин минимальна - 0,05; арочных плотин - 0,2; гравитационных - 0,3; контрфорсных - 0,4. Для ориентировочных оценок можно полагать указанные величины близкими к вероятности повреждения.
Приведенные статистические оценки позволяют вычислить экономический эффект применения различных конструктивных мероприятий для повышения сейсмостойкости сооружения.
При выборе схемы разрезки бетонных плотин температурными и конструктивными швами следует учитывать наличие ослабленных зон в основании плотины или в береговых склонах, предусматривая конструкции, допускающие деформации частей сооружения, без нарушений водонепроницаемости напорного фронта.
Применение различных конструктивных мероприятий, направленных на повышение сейсмостойкости бетонных плотин, приводит также к улучшению напряженного состояния в местах уплотняющих устройств в деформационных швах.
Рассмотрим некоторые примеры уплотняющих устройств в плотинах, выдержавших землетрясения.
Плотина Империэл (США) высотой 13,6 м, расположенная на сжимаемом основании, выдержала 9-бальное землетрясение (1940 г.). При этом резиновые уплотнения между деформационно-осадочными швами не получили повреждений, и фильтрации воды через них не наблюдалось, несмотря на смешения секций плотины относительно друг друга на 50 мм. Большие смещения секций плотины Империэл можно объяснить теми же причинами, которые вызвали аналогичные смешения на плотине Койна (Индия). При исследовании продольных, поперечных и других колебаний плотины Койна принималось предположение о независимости колебаний отдельных секций, которая означала, что секции различных размеров колеблются как несвязанные друг с другом: имеют различные собственные частоты колебаний и другие параметры, По известным данным, секции плотины Империэл также колеблются независимо друг от друга.
По ориентировочным оценкам низшая частота колебаний секции плотины составит не более 3 Гц, коэффициент затухания колебаний небольшой. А. П. Синициным показано, что при движении сейсмической волны под сооружением эпюра давлений на упругое полупространство меняется со временем. Это изменение эпюры давлений во времени объясняет возникновение противофазных колебаний секций. Секции могут испытывать колебания с амплитудой до 25 мм при 9-балльном землетрясении, а относительно друг друга перемещения могут достигать 50 мм.
Гравитационная плотина Оуд Фодда высотой 100 м /17/ выдержала 7-8-балльное землетрясение при заполнении водохранилища в 1932-1933 гг., а также землетрясение интенсивностью 9 баллов в 19 54 Арочная плотина Пакоима (США) выдержала сильное землетрясение 9 февраля 1971 г. Район расположения плотины считался 6-балльным, однако стандартными акселерографами были зарегистрированы рекордные ускорения на скале в каньоне плотины. Полагают, что запись акселерограммы не подлежит сомнениям, однако на скале в районе установки акселерографа были трещины. Уплотняющие устройства плотины не повреждены, конструкция их подробно описана в работе.
У плотины Кегумской ГЭС, несмотря на близость попадания тяжелых авиабомб в период Великой Отечественной войны, большинстве асфальтовых шпонок сохранили водонепроницаемость шва. Большинство бетонных плотин Японии: Наруго (94,5 м), Огати (149 м), Куробегава-4 (100 м), Икава (103,6 м), Тонояма (64,5 м) и другие после землетрясений 1923, 1944, 19 59 и 19 64 гг. не имели никаких повреждений.
Национальной лабораторией Португалии были рекомендованы следующие мероприятия для арочной плотины Качи (Коста-Рика), строящейся в сейсмически активном районе. Швы между арочной частью и бетонными устоями оборудованы плоскими медными диафрагмами, в которые впоследствии под давлением подается цементационная смесь. Рекомендовано также легкое армирование наружных граней плотины и предварительное обжатие четырьмя горизонтальными тросами, расположенными на гребне плотины в специальной траншее. После натяжения тросов ликвидируются все пустоты вокруг диафрагм; тросы не допускают также большого раскрытия швов при колебаниях, что уменьшает напряжения в диафрагмах без увеличения их жесткости и всего сооружения.
По-видимому, применяемые для таких целей тросы должны быть такой конструкции, чтобы была исключена возможность появления волнообразования при вибрациях в условиях растяжения тросов под нагрузкой: количество прядей в тросах во внутренних и наружных слоях должно быть подобрано из условия "некрутящегося" троса. В бетоне береговых устоев с условием возможного вращения заделывается вал с резьбой. Тросы на концах расплетаются и равномерно укладываются по окружности конуса. Конус зажимается планкой с помощью 10-15 шпилек. Корпус захвата троса соединяется через рымы с муфтой, которая, двигаясь при вращении вала, осуществляет натяжение троса.
Специальные исследования и расчеты деформационных швов бетонных плотин на сейсмостойкость, по-видимому, проводились в некоторых странах. Подобные исследования и расчеты известны для антисейсмических швов зданий и трубопроводов.
Характер разрушений зданий при землетрясениях свидетельствует о возможности взаимных ударов конструкций при недостаточных размерах антисейсмических швов, разделяющих смежные отсеки возможны сильные землетрясения. Так как трубопровод и вентиляционные сооружения имеют различную жесткость, колебания этих конструкций при землетрясении будут также различными. Это различие форм колебаний следует учесть при, проектировании, чтобы не допустить высокой концентрации напряжений и последующего разрушения. Расчетные смещения оказались слишком велики для жесткой связи этих конструкций, и поэтому необходимо было проектировать гибкое соединение, обеспечивающее водонепроницаемость конструкций. Чтобы определить влияние землетрясения на смещения трубопровода и вентиляционных сооружений, были проведены специальные исследования. Соединение проектировалось таким образом, чтобы оно допускало расчетные смещения и сохраняло водонепроницаемость под давлением 3,5 кгс/см , а также выдерживало дополнительную нагрузку от грунта и воды, появляющуюся при землетрясении. Оказалось, что наиболее целесообразным в данном случае является скользящее соединение. Воротник представляет собой кольцевую секцию, которая охватывает трубопроводы разного диаметра по поверхности скольжения. Трубы на концах укрепляются бракетами и ограничительным кольцом. Все стальные поверхности в контакте с уплотняющими резиновыми прокладками покрыты специально обработанным материалом с минимальным коэффициентом трения. Тросы служат для того, чтобы осуществить более плотный контакт между поверхностями воротника и трубопроводов. Тросы должны быть прочными и гибкими, чтобы они не разрушались при возможных движениях воротника и передавали нагрузки от воротника на хорошо укрепленные концевые части труб. При испытаниях тросов в лаборатории воспроизводились деформации, характерные для условий работы тросов при землетрясении. После 80 циклов внецентреннои знакопеременной нагрузки тросы доводились до разрушения (максимальная нагрузка - 96 тонн). Прокладки испытывались на давление 5,6 кгс/см, что позволило определить герметизирующую способность прокладок. Модель изготовленного соединения испытывалась в течение 3,5 месяцев при давлении 3,5 кгс/см. Во время этих испытаний просачивания воды не наблюдалось. Специальные башмаки закрывают соединение в ненапряженном состоянии, а при движении воротника прижимают уплотнение в тех местах, где сдвинулся воротник.
Расчетные перемещения высоких арочных плотин при колебаниях в условиях 9-балльных землетрясений, определенные без учета раскрытия швов, достигают 60 мм на гребне, на расстоянии 2/3 от гребня перемещения составляют 10-15 мм, а в нижней трети - несколько миллиметров. Температурно-усадочные швы необходимо располагать на тех участках, где перемещения, определенные по общему динамическому расчету, минимальные. В зависимости от конструкции расчет перемещений арочной плотины непосредственно интегрированием волновых уравнений теории оболочек при заданной акселерограмме может показать, что узловых линий с нулевыми перемещениями нет. Поэтому целесообразно применять специальный метод расчета, так как он позволяет раскрывать узловые линии по каждой форме колебаний. Необходимо выявлять такую форму колебаний, когда в узловых линиях возможно по другим технологическим условиям располагать шов, а перемещения по другим формам в этих местах минимальны.
Для повышения сейсмостойкости бетонных плотин и их элементов рекомендуется применять сравнительно недорогостоящие конструктивные мероприятия. К ним относятся: усиление уплотняющих устройств дублирующими уплотнениями из профилированных резиновых, поливинилхлоридных, эластопластиковых, металлических диафрагм с гофрированными профилями, а также асфальтовыми шпонками, заполненными битумными герметиками и другими резино-битумными мастиками.
Анализ имеющихся литературных данных позволяет сделать следующие выводы.
1. При определении стоимости сооружения и отдельных элементов необходимо учитывать вероятность повреждения и возможный ущерб; при этом экономическая эффективность конструкции определяется уменьшением вероятности повреждения и возможного ущерба (с учетом стоимости уплотняющих устройств той или иной конструкции).
2. При выборе конструкций уплотняющего устройства деформационных швов следует учитывать, что для отечественных сооружений необходимо проводить специальные исследования, как показано выше.
3. Уплотняющие устройства должны выдерживать перемещения секции в центральных частях многосекционного сооружения большие (на 30%), чем вычисленные для данного места расположения шва при колебаниях сооружения от землетрясения заданной интенсивности; для береговых секций в условиях узких каньонов зазоры швов могут быть меньше указанных при условии заполнения зазора специально выбранными герметизирующими составами; устройства должны выдерживать гидростатическое и гидродинамическое давление жидкости.
А.Б. Гаджиев, Деформационные швы гидротехнических сооружений, Л., Энергия, 1975
