Предельные состояния гидротехнических сооружений

После того, как разработана схема регулирования стока с целью выработки электрической энергии и удовлетворения нужд других водопользователей и водопотребителей, обоснована экономическая целесообразность и экологическая безопасность строительства, выбирается тип конструкции гидротехнического сооружения и его основные размеры. Размеры назначаются, исходя из инженерных расчётов устойчивости, механической и фильтрационной прочности сооружения, а также пропускной способности водосбросных и водопропускных сооружений.

Устойчивость сооружения - свойство находиться в равновесии под действием приложенных сил (не сдвигаться и не опрокидываться). Механическая прочность материала конструкции и её основания - свойство сопротивляться разрушению (нарушению сплошности). Фильтрационная прочность - свойство материалов сооружения и основания сопротивляться выносу и деградации под воздействием фильтрующейся через них воды.

Инженерные расчёты ГТС на прочность и устойчивость проводятся в соответствии с действующими СНиП. Современные СНиП базируются на концепции расчётов гидротехнических сооружений по двум группам предельных состояний.

Предельными называют состояния сооружений, при которых они теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые повреждения. Задача инженерных расчётов - выбрать такие конструкции и размеры, чтобы не допустить наступления предельных состояний под воздействием нагрузок, регламентированных нормами для сооружений соответствующего класса.

Предельные состояния первой группы - состояния, при которых сооружение становится непригодным к эксплуатации в результате угрозы прорыва напорного фронта из-за:

- потери устойчивости;
- хрупкого или пластического разрушения материала;
- деградации материала под воздействием фильтрующейся воды;
- неконтролируемого перелива воды через гребень из-за недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений.

Предельные состояния второй группы - состояния, при которых сооружение непригодно к нормальной эксплуатации из-за:

- недопустимых перемещений и деформаций, образования трещин, раскрытия швов;
- местных нарушений фильтрационной прочности;
- повреждений отдельных элементов конструкции, не приводящих к угрозе прорыва напорного фронта.

Наступление предельных состояний первой группы влечёт за собой необходимость срочного вывода сооружений из эксплуатации. При наступлении предельных состояний второй группы допускается временная (вплоть до устранения неисправностей) эксплуатация сооружений; однако требуется разработка специальных щадящих режимов эксплуатации, а также принятие мер по выявлению и устранению неисправностей.

Чтобы проверить недопущение предельного состояния необходимо:

- знать нагрузки и воздействия на сооружение;
- уметь путём расчёта определить реакцию сооружения на нагрузку (например, вычислить перемещения, деформации и напряжения в сооружении от действия приложенных нагрузок);
- знать несущую способность сооружения (например, знать максимальные деформации, не вызывающие нарушений сплошности - образования трещин);
- сравнить реакцию сооружения на внешнюю нагрузку с несущей способностью.

Примечания:

1. Очевидно, что надёжность сооружения будет ещё выше, если коэффициенты у будут больше нормативных значений (например, если у =1,5). Однако это увеличит стоимость сооружения (например, потребует увеличения толщины плотины). Именно для того, чтобы избежать необоснованных затрат, нормы устанавливают требуемые величины коэффициентов запаса (надёжности).

2. При расчёте устойчивости сооружений под F понимается равно действующая двигающих сил (опрокидывающий момент), под R - равнодействующая удерживающих сил. При проверке прочности под F понимаются напряжения в сооружении от действия расчётных нагрузок и воздействий, под R - расчётное сопротивление материала (на сжатие, растяжение, срез и т.п.). При проверке фильтрационной прочности под F понимается либо градиент пьезометрического напора, либо скорость фильтрационного потока при расчётных УВБ и УНБ, а под R - допустимый градиент (неразмывающая скорость) для материала сооружения или основания.

Запас надёжности гидротехнических сооружений не ограничивается только коэффициентами у, входящими в неравенство, но и системой коэффициентов запаса, отделяющих «реальные» (нормативные) нагрузки и «реальную» (нормативную) несущую способность от соответствующих расчётных величин, фигурирующих в неравенстве.

Нормативная несущая способность материалов сооружения и его основания R устанавливается путём статистической обработки данных лабораторных и натурных испытаний.

Предположим, что нас интересует такой показатель несущей способности материала основания плотины, как коэффициент сухого трения грунта основания (см. ниже). Из этого материала изготавливается серия образцов, которая испытывается по стандартной методике на сдвиг, и для каждого образца находится величина - отношение сдвигающей силы к силе, «прижимающей» образец к поверхности сдвига, в момент, когда образец сдвинулся. По результатам испытаний находят - среднее арифметическое. Для такого показателя несущей способности бетона плотины как «кубиковая» прочность на сжатие с учётом статистической изменчивости этих свойств материала нормативная несущая способность материала R ниже R t. Например, при регламентированной строительными нормами обеспеченности (односторонней вероятности) 0,95 несущей способности, нормативная несущая способность на сжатие R = 0,78R.

Нормативные нагрузки Р на сооружения (перечень их см. ниже) задаются нормами. При проверке ненаступления предельных состояний выполнения неравенства величина F определяется из расчёта не на нормативные, а на расчётные нагрузки. Расчётные нагрузки больше нормативных за счёт коэффициентов перегрузки (которые тем больше, чем больше реальная изменчивость данной нагрузки).

Рассмотреть подробно все задачи, решаемые при проектировании, в рамках учебного пособия не представляется возможным.

Примечание. В конце главы приведен перечень некоторых основных СНиП, пособий к ним и учебников, в которых содержится материал, необходимый для практического проектирования ГТС, действовавший на 1 января 2001 года. Нормативные документы пересматриваются раз в несколько лет.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.