Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ОБЛЕГЧЕННЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПЛОТИНЫ

Бетонные массивные гравитационные плотины обладают рядом достоинств, которые объясняют их широкое применение. Они сравнительно просты по конструкции и условиям их возведения; удобны для осуществления пропуска значительных расходов воды, как в период строительства, так и эксплуатации; надежны практически при любой высоте и любых климатических условиях, в том числе в суровых зимних.

К числу недостатков массивных бетонных плотин относятся:

1) значительный объем материалов для тела плотины, в частности цемента, что приводит к высокой по сравнению с другими типами плотин стоимости;
2) неполное использование прочности применяемого в плотине материала бетона, особенно в плотинах относительно небольшой высоты (менее 100 м);
3) недостаточная монолитность тела плотины вследствие появления в бетонной кладке температурных и усадочных трещин.

Эти недостатки привели к необходимости изыскания способов улучшения плотин массивного гравитационного типа путем “облегчения” и удешевления их. Это достигается следующими мерами:

1) снижением фильтрационного противодавления по подошве плотины до минимума; это привело к появлению плотин с расширенными поперечными швами (рис. 8.1,6) и плотин с полостями у основания (рис. 8.1, в);
2) снятием растягивающих напряжений в бетоне плотины путем искусственного сжатия бетонной кладки и прижатия ее к основанию; это привело к за анкеренным плотинам с напряженными акнерамн (рис. 8.1, д), обжимающими плотину у напорной грани;
3) заменой бетона во внутренней части плотины более дешевым местным материалом песком, щебнем, гравием, галькой и др.; это привело к появлению плотин с загруженными полостями рис. 8.1, г);
4) размещением во внутренней части плотины машинного зала ГЭС.

Гравитационные плотины с расширенными (широкими) швами.

В плотине с широкими швами (рис. 8.21) общие габариты не отличаются от габаритов массивной гравитационной плотины, но с каждой стороны секции плотины делаются выемки шириной ~0у5е и высотой z. Объем бетона в каждой секции уменьшается на 0,5 b0 ze.

Фильтрационное противодавление в данном случае распространяется от напорной грани в сторону широких швов так, что его эпюра по линии тока может быть условно и приближенно изображена в виде треугольника ac\d (та штриховано) вместо фигуры add\c для плотины с завесой и обычным дренажом основания.

Сила противодавления на плотину с широкими швами. Если фильтрационное противодавление на массивную плотину с обычными швами обозначается через йф, то уменьшение фильтрационного давления на величину WW позволит уменьшить объем бетона в секции плотины на Vvr=Oy5boze=(WWw)/yo.


Отсюда можно определить размеры широкого шва z и е (при этом не учитывается дополнительная экономия бетона за счет уменьшения при широких швах силы взвешивания).

Ширина шва е на практике колеблется от 3 до 9 м. Начинается шов на расстоянии (0,41 )d от напорной грани, на таком протяжении обычно размещаются дренаж секции и уплотнения швов. Ширина швов Братской плотины 7 м (рис. 8.2, в), или e/rf=0,27, швов Мамаканской плотины тоже 6 м (рис. 8.22), или е/сН),4 Последняя плотина построена в суровых условиях Сибири (среднегодовая температура воздуха 5,8° С, максимальная + 37° С, минимальная 60° С).

Экономия бетона в плотинах с широкими швами составляет от 7 до 12+15% объема массивной плотины в тех же условиях; экономия капиталовложении от 5 до 10% (из-за увеличения стоимости бетонных работ).

1) некоторое осложнение (по сравнению с массивной гравитационной плотиной) пропуска речных вод в период постройки сооружения (одним из решений является устройство донных отверстий в секциях плотины);
2) больший расход опалубки, что влечет за собой удорожание единичной стоимости бетона (по сравнению с массивной плотиной на 510%);
3) необходимость устройства мостиков через широкие швы для обхода плотины в период эксплуатации по галереям на разной высоте;
4) необходимость закрытия швов сверху во время зимних работ во избежание нежелательных резких колебаний температуры бетона, а также необходимость защиты швов от захламления строительным мусором.

Плотины с продольными полостями. Благодаря уменьшению филыра ционного давления на подошву в плотинах данного типа наблюдается экономия бетона. На рис. 8.23 показан пример плотины с полостью Гроссер Мюльдорферзее. Здесь экономия бетона по сравнению с массивной плотиной без полости получена за счет уменьшения фильтрационного и взвешивающего давлений. Хотя при этом изменяется напряженное состояние плотины: несколько увеличиваются нормальные напряжения по основанию, а центр тяжести подошвенного сечения может занять благоприятное положение для достижения большей равномерности напряжений, что зависит от местоположения полости.

Плотины с предварительным напряжением бетона, заанкеренные. Идея искусственного напряжения кладки плотин впервые осуществлена в 1934 г. при усилении плотины Шерфа (Алжир) из каменной кладки на растворе, в связи с наращиванием ее примерно на 30 м, а также из-за недостаточной прочности и устойчивости (рис. 8.24). В целях ликвидации растягивающих напряжений у напорной грани и увеличения сопротивляемости плотины сдвигу были применены анкеры стальные тросы, опущенные в специальные скважины в теле плотины и основании (песчаник) и зацементированные в скважинах на глубине 22+24 м от подошвы плотины. С помощью домкратов на гребне плотины анкеры были натянуты так, что создавали усилие, в целом равное весу /3 плотины.


Успех заанкеривания плотины Шерфа, а затем плотин Фергу (Алжир), Эвон (Англия) и других (всего более 20) привел к идее использования анкеров ки не только для усиления плотин, но и для экономии бетона в плотинах вообще. Так появился тип заанкеренной плотины, где анкеры предусматривались основным проектом как существенный элемент конструкции плотины. Примерами таких плотин являются плотины ОлтнаЛейридж в Шотландии (рис. 8.25). Эрнестина в Бразилии, Катагунья в Австралии, Ванапум в США.

Эффект заанкеривания плотины в основание и схема расчета при этом напряженного состояния сооружения изложены в 6.6. Применение напряженного анкера (см. рис. 6.32) позволяет скомпенсировать уменьшение объема бетона плотины и обеспечить или даже увеличить устойчивость сооружения против сдвига.

Экономия в затратах Э на 1 м длины плотины от применения анкера н уменьшения объема бетона AV может быть выражена формулой


Опыт строительства заанкеренных плотин показывает, что анкеровка экономически эффективна для плотины высотой до 5СН60 м. Экономия в объеме бетона может достигать 3(К40% объема бетона в незаанкеренной плотине, но обшая экономия в затратах соответственно ниже от 10 до 20%, в частности 20% экономии затрат получено на плотине Катагунья (рис. 8.26).


Конструкции анкерных устройств подробно описаны в литературе [15]. Стальные анкеры представляют собой или пачки тонкой проволоки диаметром 5 нм (Шерфа, Катагунья) или стержней диаметром 2840 мм в специальной оболочке, заделываемых в трубчатые отверстия (шахты) в бетоне плотины и в основание, где они цементируются. Верхний конец анкера имеет оголовок, опирающийся на опорную стальную плиту через домкраты, с помощью которых анкеры напрягаются усилием 2+10 МН и более; нормативное сопротивление применяемой стали 0,5К),7 ГПа. Сечение анкера рассчитывают на разрыв, но, кроме того, определяют прочность заделки анкера в скалу.


Для определения глубины заделки (цементации) в скалу предложен ряд формул (Джиоев, К.М. Хуберян, А.З. Зенкевич и др.), в частности формула А.П. Тимофеева (рис. 8.27):

Анкеры располагаются обычно в один ряд по длине плотины, но бывает и по два ряда (см. рис. 8.26), при этом по высоте сооружения число анкеров или расчетное усилие анкеров может меняться в зависимости от изменения напряженного состояния плотины. Например, в плотине Катагунья нижняя часть напряжена усилием 1,6 МН, а верхняя 1 МН; каждая часть напряжена своими домкратами (см. рис. 8.26).

Пути дальнейшего облегчения н удешевления гравитационных плотни. Кроме указанных выше, имеются и другие пути экономии бетона и снижения стоимости гравитационных плотин. Анализ работы гравитационных плотин на скальном основании показывает, что размеры профиля плотины зависят главным образом от возможности появления растягивающих напряжений в бетоне и основании со стороны верховой грани плотины. Для улучшения напряженного состояния сооружения в этой области осуществляются следующие мероприятия:

1. Отход от классического профиля плотины с вертикальной напорной гранью и устройство небольшого наклона напорной грани в сторону верхнего 5ьефа. Малый наклон напорной грани (нависание), почти не осложняя бетонных работ, приводит к дополнительному сжатию бетона на верховой грани плотины (данный эффект использован в плотине ГрандДиксанс, см. рис. 8.11, 6).

2. Использование поэтапности возведения сооружения, замоноличивания швов и наполнения водохранилища для создания благоприятного напряженного состояния плотины (см. п. 6.6).
3. Устройство швовнадрезов у напорной грани плотины в зоне действия растягивающих напряжений (рис. 8.28, а). Для предотвращения проникновения воды в шов последний оборудуется проти в ©фильтрационной шпонкой; указанная цель достигается и в случае устройства горизонтального экрана на верховой грани плотины. Допущение растягивающих напряжений в бетоне при условии обеспечения устойчивости позволяет принимать более обжатые профили плотины. Шовнадрез устраивают вблизи основания (рис. 8.28, б), но иногда делают несколько швов по высоте плотины (рис. 8.28, а).
4. Обеспечение пространственного характера работы сооружения при замо ноличивании межсекционных швов (см. п. 6.6).
5. Применение низкомарочного бетона с малым содержанием цемента н допущение трещин в бетоне с одновременным устройством гидроизоляции по напорной грани плотины (экран). Противофильтрационный экран может быть выполнен из металла, железобетона или полимерных материалов. Однако применение подобных конструкций плотин связано со значительной трудоемкостью устройства экрана, высокими требованиями, предъявляемыми к качеству работ, сложными условиями ремонтных работ в случае нарушения целостности противофильтрационного экрана. Эта идея в настоящее время реализуется в виде плотин из малоцементного укатанного бетона с наружными защитными зонами из обычного вибрированного бетона (см. п. 8.3).

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

Экспертиза

на главную