ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Характеристика арочных плотин. Арочными плотинами называют криволинейные в плане водоподпорные сооружения, работающие как свод или оболочка и сопротивляющиеся действию горизонтальных нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья (рис. 10.1).
Горизонтальные сечения арочных плотин (арки) обычно имеют круговое очертание с нормальным опиранием пят арок в берега (рис. 10.2, а). Поперечные профили арочных плотин (консоли) весьма различны по форме и в ряде случаев назначаются криволинейными по вертикали (рис. 10.2, б).
По характеру работы на основную сдвигающую нагрузку горизонтальное давление воды арочные плотины принципиально отличаются от гравитационных. В арочных плотинах силы сопротивления по подошве сооружения, зависящие от веса сооружения, принимают малое участие в работе плотины прогав сдвига. Устойчивость их обеспечивается в основном за счет упора сооружения в берега. Это позволяет проектировать арочные плотины с весьма малой толщиной, определяемой лишь условием прочности материала сооружения.
Профили арочных плотин значительно более обжаты по сравнению с профилями гравитационных плотин и характеризуются так называемым коэффициентом стройности р относительной толщиной плотины, равной максимальная толщина плотины в ключевом сечении (без учета пробки), чаще всего е0 толщина плотины у основания; Я высота арочной части плотины.
Для тонких арочных плотин Р<0,2, для гравитационных плотин Р=0,6- 0,8. Наиболее стройными из построенных арочных плотин являются плотины. Таким образом, толщина арочных плотин (и, следовательно, объем бетона на 1 м длины) меньше, чем гравитационных в 24, иногда в 68 раз и более. Общая экономия бетона вследствие кри волннейносги арочных плотин в плане несколько меньше и для современных арочных плотин составляет 35-65% [151],
Для весьма стройных арочных плотин экономия бетона может достигать и больших значений. Так, в арочной плотине Гаж (Франция), имеющей 38 м, (1,8 м и (3=0,047, объем бетона составил 18% объема бетона в гравитационной плотине.
При определении экономичности арочных плотин следует учитывать, что к бетону арочных плотин предъявляются более высокие требования, и, следовательно, его стоимость выше, чем в гравитационных плотинах, однако удорожание I м3 бетона обычно не превышает 10-15 %.
Высокая экономичность арочных плотин при одновременной их надежности объясняет их широкое распространение; в настоящее время построено более 300 арочных плотин высотой свыше 30 м. Первая арочная плотина Понте Альто, построенная в 1611 г. в Италии, была каменной (на растворе) с радиусом 15 м и высотой 5 м. В дальнейшем ее несколько раз достраивали и в 1883 г. ее высота составила 38 м. В XIX в. небольшие арочные плотины строились в Европе и США, но наибольшее распространение эти плотины получили в XX в.
Самой высокой из построенных за рубежом арочных плотин является плотина Вайонт (Италия, I960 г.), имеющая высоту 266 м. Плотина возведена в относительно узком ущелье (отношение длины плотины по гребню L к высоте плотины Я составляет УН =0,71). Толщина плотины у гребня 3,9 м, у основания 23 м. Существуют проекты н более высоких плотин: плотина Абу-Шенейна (Судан) высотой №335 м (см. рис. 10.2, б, 6).
Плотина Толла (Франция, о. Корсика, 1961 г.) является одной из наиболее стройных арочных плотин. Высота плотины Я 88 м, толщина плотины в ключевом сечении увеличивается от 1,5 м у гребня до 2,43 м на уровне приблизительно 1/3 высоты плотины и снова уменьшается до 2.0 м у основания. Максимальная толщина пят арок 4,2 м. Коэффициент стройности плотины равен р = 0,0234+0,048 при УН 1,36.
Классификация арочных плотин. По относительной толщине профиля коэффициенту стройности различаются следующие типы арочных плотин: тонкие Р<0,2; толстые 0,250,35, арочногравитационные 0,35.
Коэффициент стройности арочной плотины определяют обычно по размерам арочной части плотины, исключая местные утолщения (например, в виде «пробки», которая иногда устраивается в нижней части плотины).
По высоте арочные плотины можно классифицировать как: низкие до 30 м; средней высоты 30-75 м; высокие от 100 м и сверхвысокие 125 м.
По форме различают: арочные плотины с одной кривизной, поверхность которых имеет кривизну только в горизонтальном направлении (цилиндрические) и с двоякой кривизной; при значительном искривлении профиля по высоте плотины называются купольными.
По характеру сопряжения с основанием различают следующие типы арочных плотин: с упругой заделкой пят; с контурным (периметральным) швом (см. рис. 10.8, г, 10.4 и 10.21); со швами или шваминадрезами, устраиваемыми в нижней части опирания сооружения (см. рис. 10.8, в, 10.5 и 10.22).
По способу пропуска воды арочные плотины бывают: глухие, не имеющие устройств для сброса воды; водосбросные, с поверхностными или глубинными отверстиями.
По материалу арочные плотины могут быть: каменные, бетонные, железобетонные.
Как правило, арочные плотины строят бетонными, железобетонные арочные плотины строят редко, каменные в настоящее время не строят.
Существуют и другие менее характерные признаки классификации арочных плотин, например, различают арочные плотины в узких или широких (Ш>33,5) створах, в симметричных или несимметричных ущельях и т. д.
Природные условия, благоприятные для строительства арочных плотен. Наиболее экономичные арочные плотины могут быть построены лишь в благоприятных геологических и топографических условиях.
Герлргаческиесловия должны обеспечить возможность передачи значительных усилий от плотины на берега долины при высоком уровне сжимающих напряжений в плотине, достигающих в современных плотинах 10-12 МПа (100-120 кгс/см2). Для восприятия указанных усилий (без развития вредных для сооружения деформаций) берега в створе плотины должны быть сложены прочной, монолитной, малодеформирующейся скалой. Кроме того, скала должна быть водоустойчивой и водонепроницаемой. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют изверженные породы или крепкие осадочные породы песчаники, известняки.
В естественных условиях, однако, в скальных массивах часто встречаются дефекты в виде крупных нарушений сплошности (сбросов, разломов, ослабленных прослоек), мелкой трещиноватости и систем напластования с ослабленными породами. Особенно неблагоприятны указанные нарушения в случае их простирания по направлению возможного сдвига берегового массива (в сторону нижнего бьефа). При строительстве арочных плотин в таких неблагоприятных условиях приходится предусматривать меры по укреплению скального основания (площадную цементацию основания, расчистку и заделку бетоном грещин и т. д., см. п. 10.6).
Влияние коэффициента створа п на коэффициент стройности арочных плотин (их экономичность) показано на рис. 10.7.
При одном и том же коэффициенте створа п экономичность арочной плотины зависит от формы сечения створа, которая может быть близкой к прямоугольной, трапецеидальной, треугольной или иметь более сложное, часто не симметричное очертание. Наиболее благоприятна форма, близкая к треугольной. при которой нижние арочные сечения плотины, подвергающиеся большему гидростатическому давлению, имеют меньшие пролеты. Это позволяет выполнять их более тонкими, чем в случае трапецеидального или прямоугольного сечения створа.
Более сложные очертания сечения створа (рис. 10.8) неблагоприятны вследствие резких изменений пролетов арок по высоте, что приводит к возникновению концентраций напряжений в плотине. На практике, однако, возникает необходимость использования и указанных створов для возведения арочных плотин. При этом выполняют специальные работы по облагораживанию формы сечения опирания плотины путем устройства: скальных выемок выпуклых частей берега (рис. 10.8, а); бетонных гравитационных массивов в виде береговых устоев (рис. 10.8, б) или «пробок» (рис. 10.8, в), служащих искусственным основанием для арочной части плотины. В частных случаях фундаментный массив (седло) устраивают по всему контуру опирания арочной части плотины, которая в этом случае обычно отделяется от него контурным (периметральным) швом (рис. 10.8, г). Контурный шов обеспечивает плавную и симметричную форму контура опирания арочной части плотины, при которой обеспечивается более равномерный характер напряженного состояния сооружения.
При форме сечения створа, показанной на рис. 10.8, д, устраивают комбинацию арочной плотины, перекрывающей центральную наиболее глубокую часть створа, с береговыми открылками в виде гравитационной или контрфорсной (возможно, и земляной) плотины, возводимой в пределах резко расширяющейся части створа.
Для строительства арочных плотин предпочтительными являются створы в местах сужения долины в плане (см. рис. 10.1), которые обеспечивают для пят рок естественные упоры на сходящихся склонах долины.
