СИЛЫ И НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Нагрузки, воздействия и их сочетания. На гидротехнические сооружения действуют весйма разнообразные нагрузки и силы, которые различаются по характеру воздействия, происхождению, продолжительности и повторяемости.

По характеру действия силы бывают статические и динамические, а по продолжительности и повторяемости — основные постоянно действующие в условиях нормальной работы сооружения, случайные, действующие кратковременно, и силы, действующие весьма редко.

По происхождению и физической природе силы и нагрузки разделяются на следующие:

1) собственный вес сооружения с находящимися на нем устройствами (мосты, затворы, различные подъемные механизмы и др.);

2) давление воды при нормальном подпорном уровне — статическое, динамическое, волновое, фильтрационное, взвешивающее и пульсационное;

3) горное давление, давление грунта основания и берегов, а также наносов, отлагающихся в верхнем бьефе у сооружения;

4) ледовые нагрузки и воздействия — статические (при расширении ледяного покрова) и динамические (при ударе льднн в период ледохода);

5) давление ветра;

6) давление снега;

7) тяговые усилия, создаваемые подъемными, перегрузочными и транспортными механизмами;

8) нагрузка от судов (в транспортных сооружениях);

9) силы, возникающие в результате объемных деформаций материала сооружения от изменения температуры, усадки и разбухания бетона и изменения влажности материала;

10) сейсмические воздействия, возникающие при землетрясении;

11) прочие силы в виде временных нагрузок от грузов, транспорта, толпы людей и т. п;

При проектировании гидротехнических сооружений могут быть приняты различные сочетания действующих сил и нагрузок. Согласно СНиП П-И.1-62, различают сочетания — основные (А) и особые (Б). Основные сочетания образуются из основных нагрузок и воздействий, указанных в пунктах 1—8.

Особые сочетания составляются из нагрузок и силовых воздействий, указанных в пунктах 1—11. При этом взамен действующих сил, указанных в пунктах 2, 4, 5, принимаются следующие: статическое давление воды при форсированном подпорном уровне; давление фильтрационных вод, возникающее в результате нарушения нормальной работы противофильтрационных и дренажных устройств; давление льда, ветра и волновые воздействия катастрофической (необычной) силы.

В соответствующих случаях к особым сочетаниям можно отнести давление воды, возникающее в случае разрушения сооружений, или силы, возникающие при разрушении части сооружения, а также нагрузки и воздействия, действующие в период строительства, во время ремонта и в процессе испытаний сооружений.

Сочетания нагрузок и воздействий устанавливают с учетом практической возможности одновременного их действия на сооружение.

При установленном сочетании для расчета гидротехнических сооружений принимаются самые невыгодные комбинации сил и нагрузок и в зависимости от класса капитальности сооружений назначают различные коэффициенты запаса на прочность и устойчивость. Для конкретного сооружения при учете только сил группы А (сочетания по основным силам) коэффициенты запаса будут наибольшими, а при учете сил по особым сочетаниям — наименьшими.

Указания по определению величины сил и нагрузок. Собственный вес сооружения Q и находящихся на нем устройств определяется по известным размерам и объемному весу строительных материалов. В некоторых случаях собственный вес сооружения или отдельных его элементов может быть определен по эмпирическим формулам (например, вес затворов).

Гидростатическое Wu W2, W3, Wt и гидродинамическое давления определяются по общеизвестным формулам гидравлики. Гидродинамическое давление на ту или иную поверхность сооружения зависит от условия обтекания, скорости движения воды, площади и угла, образуемого направлением струи с плоскостью, воспринимающей удар струи. Величины динамических сил, вызываемых пульсацией скоростей потока, определяются экспериментальным путем или же оцениваются приближенно по эмпирическим зависимостям.

Волновое давление возникает в результате воздействия на гидротехнические сооружения ветровых и судовых волн, образующихся в водохранилищах, реках и каналах, При этом вода оказывает на стенки сооружения дополнительное (сверх гидротехнического) давление. Величина этого давления зависит от размеров волны и характера взаимодействия волны и сооружения. Параметры волны (длина, высота) зависят от скорости ветра, продолжительности его действия, глубины водоема и длины разгона. На характер взаимодействия волны и сооружения влияют глубина воды перед сооружением и угол наклона лицевой грани стенки к горизонту.

Волновые воздействия рассчитывают согласно СН 288—64.

Фильтрационное давление возникает под сооружением в результате создания напора, то есть разности уровней верхнего и нижнего бьефов.

Ледяной покров и отдельные льдины оказывают на гидротехнические сооружения различные воздействия: статическое; динамическое — удар плавающих льдин; выдергивающее — при подъеме уровня воды подо льдом, примерзшим к элементам сооружения; истирающее — при движении льда, вдоль стенок сооружений и т. п.

Статическое давление, вызываемое температурным расширением, можно исключить, скалывая лед или поддерживая полынью у сооружения.

Ледовые нагрузки и воздействия рассчитывают согласно СН 76—59.

Давление грунта, горное давление и давление наносов на гидротехнические сооружения определяют методами, известными из курсов «Механика грунтов», «Основания и фундаменты» и др. При расчетах следует руководствоваться СНиП П-А.10-62, И-Б.1-62, Н-Б.2-62, П-Б.3-62.

Снеговая и ветровая нагрузки, на конструкции гидротехнических сооружений определяются так же, как и для других строительных конструкций, согласно СНиП П-А.11-62.

Сейсмические силы возникают при землетрясениях. Под влиянием сейсмических колебаний основания в сооружении возникают инерционные силы Рс, пропорциональные массе сооружения и сейсмическому ускорению. Кроме того, инерционные силы Wc проявляются в массе воды верхнего бьефа и вызывают увеличение обычного гидростатического давления. Аналогичное явление происходит и в массе грунта, оказывающей давление на сооружение. Эти силы могут иметь любое направление.

Величина инерционных сил зависит от силы землетрясения, оцениваемой сейсмичностью в баллах, которая принимается по картам сейсмического районирования.

В расчетах гидротехнических сооружений считают, что инерционные силы приложены в центре тяжести конструкции и имеют направление, при котором получаются наиболее неблагоприятные условия для устойчивости и прочности сооружения. Расчёт сооружений, ведут согласно СНиП П-А. 12-62.

Остальные силы и воздействия (нагрузка от судов, толпы людей, объемных деформаций материала и т.д.) определяют по соответствующим нормам и стандартам.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968