ПРОЕКТИРОВАНИЕ АРОЧНЫХ ПЛОТИН
Форма арочных колец в плане. Наиболее распространенная форма арочных колец в плане круговая с постоянной толщиной. Подобная форма арок удобна в производстве, чем и объясняется ее широкое применение.
Однако круговое очертание арочных колец не всегда обеспечивает наилучшую работу в статическом отношении. В круговой арке линия давления от гидростатической нагрузки совпадает с линией оси арки (безмоментное состояние) лишь для случая свободно опертой арки (см. п. 9.6). Защемление пят арок в берега приводит к возникновению моментов, неравномерному распределению напряжений по сечению арки и ее длине. В круговой арке постоянной толщины напряжения возрастают к пятам, поэтому толщина арки иногда увеличивается на участке ее сопряжения с основанием. Последнее устраивается также и при недостаточно прочной скале для уменьшения напряжений, передаваемых на основание.
Круговое очертание арки не всегда обеспечивает благоприятное примыкание арок к берегам; в ряде случаев, особенно при больших центральных углах, примыкание круговых арок происходит при острых углах к горизонталям рельефа, что неблагоприятно для устойчивости береговых склонов.
С целью получения более равномерных напряжений в арочных плотинах и улучшения условий сопряжения их с берегами в современных плотинах применяют более сложные очертания арок в виде многоцентровых арок или очерченных по параболе, гиперболе, эллипсу, логарифмической спирали. Наивыгоднейшее очертание арок зависит от конкретных особенностей створа, выбранной формы арочной плотины, и находится в результате сравнения различных вариантных проработок .
На основании выполненных исследований, например, рекомендуется [171] для узких каньонов треугольного сечения (Vобразной формы) применять плотины с арками переменной кривизны, в которых центральная часть выполняется с большей кривизной, а береговые части более пологими. В таких плотинах распределение напряжений более равномерное, чем в круговых, и равнодействующие усилия на основание направлены под несколько большим углом в сторону береговых скальных массивов. Подобные арки могут быть получены при очерчивании их отрезками окружностей разного радиуса (многоцентровые арки), как это принято для Ингурской плотины (см. рис. 10.4). В узких ущельях (L/H<3) прямоугольного или трапецеидального сечения (Uобразной формы) хорошие показатели получают для плотины с арками кругового очертания. Результаты исследований многочисленных вариантов Чиркейской арочной плотины подтвердили, что круговое очертание арок в этих условиях дает благоприятное распределение напряжений в плотине [80].
Выбор радиуса, центрального угла арок и назначение очертания профиля плотины. При вписывании арок плотины в местность стремятся получить благоприятные условия для работы как самой арки, так и береговых примыканий при минимальных объемах бетона и скальной врезки.
Из анализа напряжений в арках следует (см. п. 9.6), что напряжения в арке тем меньше, чем меньше радиус арки го и чем больше центральный угол 2df Однако с увеличением центрального угла увеличиваются длина арки и объем ее материала, и часто ухудшаются условия подхода арок к горизонталям. Поэтому на практике обычно центральный угол принимается не более 130—140°. В створах, имеющих форму сечения, близкую к прямоугольной, выбранные максимальный угол и минимальный радиус арок можно выдержать почти по всей высоте плотины. В этом случае толщина арок увеличивается книзу пропорционально высоте (рис. 10.19, а). Такие плотины, имеющие форму, близкую к цилиндрической, носят название плотин постоянного радиуса. Примером их является Саяно-Шушенская плотина (см. рис. 10.5). Напорная грань у этих плотин вертикальная, низовая наклонная.
Сохранение постоянного радиуса в створах трапецеидальной и треугольной форм ведет к уменьшению в нижних сечениях плотины центрального угла, т е. противоречит требованию экономичности арочных плотин, поэтому в таких условиях (рис. 10.19, б) строят плотины с переменным радиусом, уменьшающимся книзу, но с постоянным центральным углом. Такими является большинство современных арочных плотин. В указанных плотинах уменьшение радиусов арок книзу в связи с ростом нагрузок и сохранением большого центрального угла дает весьма экономичные профили плотин. Однако выдержать постоянство угла не всегда удается. Практически в нижних сечениях плотины центральные углы часто уменьшаются до 6080° и меньше.
Вертикальные профили арочных плотин в створах трапецеидальной и треугольной формы часто имеют значительное искривление, которое производится по условиям вписывания сооружения в местность (стремление к оптимальным углам, радиусам, врезкам), по статическим условиям или по гидравлическим условиям при водосливных плотинах.
Исходя из статических условий, профиль плотины устраивают иногда со значительным нависанием средней по высоте части плотины в сторону верхнего бьефа (подрезка нижней части плотины); как, например, в плотинах Какавя кя, Мареж, Саяно-Шушенской и др. (см. рис. 10.5). В плотинах подобного профиля за счет сжимающих напряжений от собственного веса сооружения удается погасить опасные растягивающие напряжения в нижних сечениях на верховой грани, возникающие в консольных элементах от гидростатической нагрузки. В ряде случаев указанное нависание профиля приводит к появлению растягивающих напряжений на низовой грани плотины в строительный период, в связи, с чем приходится устраивать специальные подпорки с верховой стороны плотины в виде контрфорсов или приливов, которые обычно отделяются от основного профиля плотины швами [15].
Для возведения сильно искривленных консолей применяют также более частую разбивку сооружения по высоте на ярусы, с заделкой швов между консолями на каждом ярусе возведения. В этом случае собственный вес консоли полностью передается на скальное основание лишь для первого яруса сооружения. Собственный вес консолей последующих ярусов передается (распределяется) на основание через нижнюю, уже замонолнченную часть плотины (см. п. 10.4).
При устройстве водослива на гребне плотины, наоборот, нередко устраивают нависание верхней части профиля в сторону нижнего бьефа. Подобный наклон профиля позволяет отдалить место падения переливающейся струи от основания плотины, что более безопасно для работы сооружения. Наклон всего профиля плотины в сторону нижнего бьефа устраивается также для улучшены условия опирания сооружения на береговые склоны и повышения их устойчивости против сдвига за счет более благоприятного направления равнодействующей усилий, передаваемых сооружением на основание. Подобные профили приняты в плотинах Аншане (см. рис. 10.2, б, 5) и др.
Вообще профили арочных плотин весьма разнообразны (см. рис. 10.2, б) и отражают стремление проектировщика предугадать слитную работу плотины с массивом ущелья, для которого сооружение всегда является инородным телом.
Вписывание арочной плотины. Вписывание арочной плотины в местность производится после предварительного назначения профиля центральной консоли и контура опирания сооружения на основание. Окончательное решение по профилю плотины н ее посадке на местность принимается на основе сравнения ряда вариантных решений.
Перед вписыванием плотины обычно строится поперечный разрез местности по оси предполагаемой посадки сооружения (развертка по оси плотины) с нанесением границы здоровой скалы. Затем решается вопрос о целесообразности его облагораживании устанавливается величина скальных выемок, необходимость устройства пробки, устоев и др. дня получения более плавного и симметричного контура опирания плотины (рис. 10.20, а). Установленного контура сооружения придерживаются при вписывании отдельных арок плотины на плане местности. Для вписывания плотины профиль центральной консоли разбивают по высоте рядом горизонтальных сечений, которые определяют положение отдельных арок (рис. 10.20, б). При вписывании арок в пределах намеченного контура опирания (рис. 10.20, в) стремятся к получению благоприятных углов и радиусов, условий сопряжения с рельефом. При этом анализируют получающиеся профили боковых консолей, стремясь избежать их возможных чрезмерных нависаний. Для Диализа условий сопряжений плотины с рельефом строят планысрезы на раз личных отметках, по которым судят о надежности врезок арок в скалу (рис. 10.20, г).
В процессе вписывания приходится иногда корректировать первоначально назначенный профиль плотины.
Для вписанного варианта плотины определяют геометрические параметры и производят полный расчет напряженного состояния. Из анализа напряжений делают вывод о приемлемости запроектированного варианта или внесения соответствующих изменений.
Меры по улучшению напряженного состояния арочных плотин. Арочные платины как пространственные конструкции обладают большими запасами прочности, однако неравномерность распределения напряжений в сооружении и возникновение их концентраций в некоторых зонах плотины ограничивает возможность облегчения конструкции.
Наиболее опасными зонами, где возникают обычно чрезмерные напряжения, являются места примыкания арочной плотины к основанию. Эти напряжения значительно возрастают при резких изломах контура опирания, при выклинивании жестких пород основания на отдельных участках сооружения, при значительной асимметрии створа и т. д.
В практике проектирования и строительства арочных плотин применяют следующие конструктивные и технологические меры, позволяющие улучшить их напряженное состояние; придание симметричного и плавного очертания оболочке плотины, обеспечивающего наиболее спокойный характер напряжений в плотине; придание плотине (арочным и консольным элементам) безмо ментного очертания, позволяющего избежать возникновения растягивающих напряжений; местное изменение толщин арочной плотины, например утолщение арок в пятах, некоторое утоныненне нижней части консоли и др.; применение различных конструктивных швов в плотине; изменение жесткости основания за счет цементации и др.
Устройство конструктивных швов в арочной плотине позволяет улучшения ее напряженного состояния за счет перераспределения усилий в оболочке плотины. С этой целью применяют контурные швы, швы на отдельных участках контура сопряжения плотины с основанием, швынадрезы и швыразрезы.
Контурный шов, устраиваемый по всему контуру опирания плотины, может выполняться в двух видах: как шов, обеспечивающий деформацию поворота (работающий как шарнир), или как шов ослабленное сечение (в расчетном отношении не воспринимающий растягивающих напряжений), в котором пол действием нагрузки могут возникнуть трещины. В первом случае поверхность шва покрывается битумной или графитовой смазкой, во втором шов оборудуется цементационной арматурой, позволяющей восстанавливать монолитность сооружения.
Шов может выполнять комбинированное назначение: в первоначальный период (наполнение водохранилища) шов обеспечивает перемещение плотины, ее приспособление к нагрузке, в последующем шов цементируется. Цементация в этом случае обычно производится в пределах низового участка шва; небольшой участок шва со стороны верхнего бьефа до внутренней противо фнльтрационной шпонки остается не зацементированным, выполняя в последующем роль шванадреза.
Применение контурного шва в плотине позволяет: обеспечить симметричное и плавное сопряжение плотины с опорным массивом; осуществить перераспределение напряжений в плотине (см. п. 10.4) и избежать возникноветн растягивающих напряжений на контакте плотины с основанием, что важно для работы противофильтрационной завесы; уменьшить и более равномерно распределить усилия, передаваемые на основание за счет уширения опорной подошвы фундаментной части (седла) плотины. Контурный (периметральный) шов с седлом позволяет выравнить (осреднить) деформативные свойства основания в случае, если основание представлено несколькими пачками скальных грунтов различной деформативности. Примеры сооружений с контурным швом показаны на рис. 10.4, 10.21.
Швы-надрезы устраивают обычно в нижней части контура опирания плотины с верховой ее стороны. Швынадрезы осуществляют промежуточную схему опирания плотины между упругим защемлением и сквозным периметральным швом. Они выполняют те же функции, что и контурный шов при регулировании напряженного состояния плотины, и в то же время сохраняют монолитность сооружения, что важно для работы плотины на сейсмические воздействия.
Швы-надрезы осуществлены в плотинах Лауза, Туль и др.; устройство шванадреза намечалось и в проекте Саяно-Шушенской плотины (см. рис. 10.5).
Швы-разрезы на гребне плотины выполняют сквозными; их нижняя граница располагается на плавной кривой, которая образует «ныряющий» гребень плотины. Указанные швы устроены в арочной плотине Куробе4 для снятия распорных усилий в верхних арках, опирающихся на слабом участке скалы (рис. 10.22). Подобное решение рассматривалось и для Ингурской арочной плотины, в створе которой на верхних участках правобережного примыкания были обнаружены слабые породы скалы.
Интересно отметить, что исследования[54] показали целесообразность устройства швовразрезов и при наличии жестких пачек пород на верхних участках примыкания для «снятия» возникающей концентрации сжимающих напряжений.
Устройство швов на нижнем участке контура опирания плотины применяется обычно в плотинах, сооружаемых в широких створах для загрузки ее арочных элементов. Такие швы, например, выполнены в плотине Шиффенен,
Мулеи-Рибу и др. [15]. Аналогичное расположение шва принято в плотине Куробе (см. рис. 10.22); его местоположение было обосновано специальными модельными исследованиями.
Характер работы швов в арочных плотинах, сооружаемых в широких створах, подробно проанализирован в п. 10.4.
Имеются и другие предложения по конструктивным решениям арочных плотин, направленные на обеспечение их лучшего напряженного состояния. К ним относятся, например, плотина из трехшарнирных арочных поясов, опытная конструкция которой осуществлена в нижнем бьефе Ладжанурской плотины в качестве водобойной стенки; плотина, расчлененная горизонтальными швами на отдельные арочные пояса с шарнирными опорами [15], плотина рессорного типа и др.
Арочные плотины проектируются иногда с весьма малой толщиной. Толщина арочной плотины играет большую роль; чем она меньше, чем больше кривизна тем лучше работает плотина как пространственная конструкция. Несмотря на малую толщину, арочные плотины даже при огромной высоте представляют вполне надежную упругую конструкцию. Испытания моделей плотин показывают, что разрушающие их нагрузки превышают нормальные эксплуатационные в несколько (35) раз. Аварий подобных сооружений, вызванных именно арочной формой плотины, иногда, несмотря на исключительно смелые формы, не зарегистрировано. Было три случая разрушений невысоких арочных плотин (1518 м) в США в 20х гг. XX в., но причинами их были подмыв берегов сбросными водами, или неудовлетворительные геологические условия в створе. Причиной аварии плотины Мальпасе во Франции в 1959 г. явилась также недостаточная надежность левобережного примыкания плотины.
Арочные плотины обладают более высокими запасами прочности, чем другие плотины, и способны переносить большие случайные перегрузки: так, плотна Корфино высотой 40 м при толщине понизу 7 м (т.е. 0,18 Н) перенесла сильное землетрясение без повреждений; плотина Понтезей (Италия) при затоплении подверглась двукратной перегрузке также без какихлибо повреждений.
