КОНСТРУКЦИИ АРОЧНЫХ ПЛОТИН
Материал. Наиболее распространенный материал арочных плотин бетон. По своим качествам он должен удовлетворять тем же требованиям, что и бетон для массивных плотин; большую роль здесь играет прочность.
В современных арочных плотинах допускают весьма высокие напряжения: сжимающие до 10-13 МПа (100-130 кгс/см2), растягивающие до 2,53 МПа (25-30 кгс/см2). Поэтому в арочных плотинах применяют бетон более высоких классов, чем в гравитационных плотинах В20, В25 и более.
Гребень н грани глухих плотин. Толщина арочных плотин поверху обычно очень мала от 1,5 до 24 м, поэтому устройство дороги по плотине требует специального уширения, обычно балочноконсольного типа.
Напорная грань в целях повышения ее водонепроницаемости иногда покрывается торкретом или окрашивается битумом; низовая грань большей частью никаких облицовок не имеет.
В суровых климатических условиях с целью защиты плотины от неблагоприятных воздействий температуры наружного воздуха с низовой стороны ее устраивается теплоизоляционная стенка. В Норвежских арочных плотинах Слеттедален и Юванн утепляющие стенки выполнены из сборных железобетонных плит толщиной 12 см, закрепленных на специальных выступах на расстоянии 80 см от низовой грани плотины.
Армирование арочных плотин. Арочные плотины обычно выполняют бетонными; железобетонными и сильно армированными арочные плотины строят редко. Даже в очень тонкой арочной плотине Гаж, в которой сжимающие напряжения составляют 10 МПа (100 кгс/см2), а растягивающие до 8 МПа (80 кгс/см2), арматура поставлена лишь в местах, где растягивающие напряжения превосходят 2 МПа (20 кгс/см2).
В бетонных арочных плотинах арматуру ставят лишь там, где могут возникнуть большие местные концентрации напряжений (у смотровых, водосбросных и других отверстий и галерей, в местах перелома профиля, в устьях несквозных швов и т.п.). Армирование производится также у наружных поверхностей плотины для ограничения температурных трещин (например, в виде сетки, размером ячейки 10x10 см, диаметром 4 мм или 50x50 см диаметром 16 мм), у поверхностей конструктивных швов, например контурных (см. рис. 10.21), в верхних арках плотины для восприятия напряжений при сейсмических воздействиях, у подошвы плотины на отдельных участках, где выклиниваются ослабленные прослойки и т. п.
Расход арматуры в арочных плотинах обычно не превышает 45 кг на 1 м3 бетона, иногда достигает 1014 кг/м3 и больше.
Устройство водосбросов в арочных плотинах. Устройство водосливов в теле арочной плотины является более экономичным решением, чем устройство водосбросов в берегах. Вследствие особенностей профиля арочных плотин образование правильной криволинейной водосливной поверхности на них потребовало бы значительного утолщения арок. В плотинах значительной толщины иногда удается при малых расходах воды образовать водосливную грань без дополнительных затрат бетона. На некоторых арочных плотинах водосливная грань выполнена в виде водосливной плиты, пристроенной со стороны нижнего бьефа или в виде быстротока трамплина (рис. 10.23, в).
Более целесообразно в арочных плотинах устройство водосливов по принципу свободно падающих струй. При этом оголовку водослива придается своеобразная форма (рис. 10.23, а) для отброса струи от плотины. Толщина переливающегося слоя на водосливе ограничивается 24 м. На ряде плотин вместо водосливных применяют погруженные отверстия на небольшой глубине от НПУ (рис. 10.23, б), что обеспечивает их большую пропускную способность и позволяет избежать устройства мостов через водослив. Основание плотины в месте падения струй, если нужно, укрепляется бетоном (см. рис. 10.23, а) или за плотиной создается успокоительный бассейн, как это сделано на плотине Ладжанури (см. рис. 10.3).
Устройство глубинных отверстий водоспусков в тонких арочных плотинах требует значительного армирования бетона вокруг труб водоспуска. Однако на практике оно применяется довольно часто (см. рис. 10.4), как и устройство водозабора для гидроэлектростанций; при этом затворы большей частью располагаются на низовой стороне плотины, а со стороны верхнего бьефа ставится только решетка. Для водоприемников ГЭС возможны, однако, и другие решения [15].
Примыкание арочных плотин к основанию. Арочная плотина непосредственно сопрягается со скалой в случае её упругого защемления в основание, либо опирается на специальный фундамент в случае устройства контурного шва в плотине.
С целью уменьшения концентраций напряжений, возникающих обычно на отдельных ступенях, применяют и другие более плавные очертания пятовых сечений арки (рис. 10.24, г, д, ё).
В нижних сечениях сопряжение плотины с основанием рекомендуется выполнять с учетом рельефа местности по плавной линии (см. рис. 10.4, 10.5 и др.) обычно горизонтальной или с небольшим наклоном в сторону верхней) бьефа.
При устройстве контурного шва (или шва на участке контура сопряжения) арочная плотина опирается на специальную фундаментную подушку (седло). Сопряжение седла со скалой осуществляется по указанным выше схемам. Очертание контурного шва стремятся выполнить круговым нормально к равнодействующему усилию в шве (см. рис. 10.18, а). На практике указанное очертание не всегда выдерживается и иногда выполняется полигональным.
Сопряжение плотины с пробкой или устоями при наличии контурного шва устраивается аналогичным способом.
Пробки, устои и береговые открылки. Пробки, расположенные в нижней суженной части ущелья, обычно представляют собой массивные конструкции по отношению к перекрываемому пролету и работают как клинья, воспрннюш непосредственно нагрузку со стороны верхнего бьефа и усилия от плотины.
Устои устраиваются на верхних отметках долины в местах ее уширенш Выполняют их чаще всего в виде массивных гравитационных стенок с утолщением в сторону берега (см. рис. 10.8, б). Статический расчет устоев, воспринимающих давление воды на их напорную грань и усилия от верхних колец арочной плотины, аналогичен расчету гравитационных плотин (см. гл. 8).
Для облегчения статической работы устоев часто с верховой их стороны устраивают открылки, которые защищают устои от непосредственного воздействия воды; иногда для увеличения их устойчивости против сдвига устои зааи кериваются в основание (как это выполнено, например, в плотинах Мареж, Гах и др.).
Устои и береговые открылки могут иметь различные формы (см. рис. 10.22) в зависимости от топографических н геологических условий створа. Береговые открылки отделяются от устоев конструктивными швами.
Дренаж плотины. Фильтрационное давление в теле арочной плотины почти не имеет значения для ее устойчивости и прочности, поэтому дренаж плотины, по существу, не нужен. Однако в некоторых особенно толстых плотинах его устраивают, что может быть объяснено главным образом климатическими условиями защитой тела плотины от возможного разрушения бетона при промерзании. Устройство дренажа в арочной плотине ничем не отличается от устройства его я гравитационных плотинах (см. рис. 10.5, 10.6 и др.). Отличие заключается лишь в более близком расположении дренажных скважин от напорной поверхности сооружения и меньшим их диаметром (615 см).
Эксплуатационные коммуникации. Для нормальной эксплуатации арочной плотины в ее теле и берегах устраивают: смотровые галереи (потерны), шахты для контрольноизмерительной аппаратуры и лифтов, консольные служебные мостики на низовой грани плотины.
Смотровые галереи располагают через 10-40 м по высоте (см. рис. 10.4. 10.5 и др.) и обычно совмещают с дренажными. Из смотровых галерей нередко устраивают выходы на консольные служебные мостики (см. рис. 10.4). В тонких арочных плотинах обычно ограничиваются устройством одних служебных мостков (см. рис. 10.3).
Швы арочных плотин. Для избежания трещин от температурноусадочных явлений арочная плотина в период постройки разделяются на блоки сплошными поперечными (радиальными), вертикальными или примерно вертикальными строительными швами, которые для придания плотине нужной монолитности заделываются при возможно низкой температуре кладки. 6 этих целях применяют иногда искусственное охлаждение кладки. Расстояние между строительными швами обычно делают не более 15 м (в отдельных случаях несколько больше), иногда его принимают 720 м.
Швы по способу их заделки бывают двух типов: бетонируемые и цементируемые. Бетонируемые швы имеют значительную ширину от 0,6 до 1,2 м; они заполняются особо плотным бетоном после достаточного охлаждения блоков. Цементируемые швы, чаще применяемые, получают небольшое раскрытие, измеряемое расхождением блоков в результате их остывания. Они имеют конструкцию, аналогичную швам массивных плотин (см. п. 8.3).
Достоинство цементируемых швов состоит в том, что при нагнетании цемента под большим давлением можно дать аркам предварительное обжатие, которое уменьшает растягивающие напряжения в плотине во время эксплуатации. Недостаток их отсутствие уверенности в качестве цементации шва, имеющего узкое раскрытие.
Иногда применяют комбинированные швы (ширина 11,5 м), которые бетонируют, а затем и цементируют, объединяя преимущества бетонируемых и цементируемых швов.
При значительной толщине арочной плотины помимо радиальных устраивают и продольные швы обычно в нижней уширенной части профиля плотины (см. рис. 10.4). Конструктивные (постоянные) швы описаны выше (см. п. 10.5).
Сопряжение плотины с основанием. К основанию арочных плотин предъявляются более высокие требования, чем к основанию гравитационных плотин, что объясняется высоким уровнем напряжений, передаваемых от сооружения на основание, большими градиентами фильтрации и т. д. Поэтому примыкание плотины к основанию выполняется с особой тщательностью, с проведением комплекса укрепительных противофильтрационных работ [15].
Для обеспечения прочности основания в зоне примыкания плотины в зависимости от качества скального массива предусматривают: удаление верхнего слабого слоя скалы; устройство укрепительной цементации скалы и места контакта бетона со скалой; проведение расчистки и заполнения бетоном крупных трещин и полостей; устройство в слабой скале специальных конструкций (стенок, контрфорсов) для передачи нагрузки от плотины на прочные зоны породы; анкеровку недостаточно устойчивых и прочных массивов скалы; защиту склонов скалы слоем бетона и т. д.
Укрепительная цементация скалы производится под подошвой плотины на глубину 10-30 м (иногда и больше) в зависимости от прочностных и деформа тивных характеристик скального массива (см. рис. 10.4, 10.6).
Специальные укрепительные мероприятия выполнены на ряде арочных плотин, построенных в створах с недостаточно благоприятными геологическими условиями (см. рис. 10.4).
Противофильтрационные мероприятия предусматривают устройство цементационных и дренажных завес. Цементационные и дренажные завесы устраиваются как в основании плотины, так и в береговых ее примыканиях. В основании плотины завесы выполняются вертикальными или несколько наклоненными в сторону верхнего бьефа (см. рис. 10.4, б). Для береговых участков предпочтителен разворот их в сторону верхнего бьефа, что особенно важно для устойчивости береговых примыканий плотины. Размеры цементационной завесы устанавливают в зависимости от свойств скальной породы, ее трещиноватости (см. гл. 8). Цементационную и дренажную завесы выполняют обычно (особенно при крутых бортах долины) из цементационных и дренажных галерей, устраиваемых в берегах долины. В некоторых случаях цементационные и дренажные завесы выполняют из одних галерей.
