ВЛИЯНИЕ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛОТИНЫ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ВОДЫ, ТЕМПЕРАТУРНОВЛАЖНОСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ
Учет силового воздействия фильтрующей воды. В бетоне вследствие его пористости, а также наличия пустот и трещин возникает фильтрация воды, которая оказывает влияние на напряженное состояние сооружения. Частицы бетона, находящиеся в зоне, насыщенной фильтрующей водой, будут испытывать взвешивающее и гидродинамическое давление, действующее по направлению токов фильтрации (процесс аналогичен фильтрации в грунте основания, см. гл. 3).
Влияние взвешивающего давления воды на напряжение в теле плотины показано на рис. 6.23. В элементарном методе расчета напряжения в горизонтальном сечении плотины от взвешивающего давления воды могут был определены по следующим формулам [см. формулы (3.73), (6.1)]:
Эти напряжения (рис. 6.23, 2) суммируются с напряжениями, полученными в плотине без учета фильтрации (рис. 6.23). Результирующие напряжения (рис. 6.23, 3) могут быть неблагоприятными для работы плотины вследствие появления растяжений на напорной грани плотины. При устройстве дренажа в теле плотины уменьшаются зона насыщения бетона фильтрующейся водой и се неблагоприятное воздействие на напряжения в плотине.
В общем случае силовое воздействие воды с учетом проницаемости бетона и грунта основания, характеризуемых коэффициентами эффективной площади противодавления соответственно а2<4 и ау(см. гл. 3) может быть представлено в виде следующих сил (рис. 6.24):
В зависимости от класса сооружения и вида основания (скальное или нескальное), а также на предварительных стадиях проектирования в расчетах устойчивости и прочности сооружения допускается (СНиП 2.06.0685): не учитывать пригрузку основания в верхнем и нижнем бьефах плотины; принимать силовое воздействие фильтрующейся воды либо в виде противодавления и объемных сил в основании плотины, либо в виде только противодавления; принимать значение коэффициента а2 равным нулю.
При приближенных расчетах напряжений в плотине без водонепроницаемого покрытия напорной грани фильтрационное давление в ее горизонтальных сечениях обычно не учитывается, однако в этом случае для обеспечения прочности сечения необходимо иметь на напорной грани сжимающие напряжения
Влияние температурновлажностных явлений в бетоне. В бетоне вследствие выделения теплоты при гидратации цемента развиваются экзотермические процессы, при которых температура бетона в зависимости от рода и количества вяжущего поднимается на 1525° С и более по сравнению с температурой бетонной смеси в момент ее укладки в блок. В дальнейшем происходит остывание бетонного блока и сокращение его объема.
Для бетонных блоков, расположенных на скальном основании, указанное сокращение объема затруднено вследствие связи бетона со скалой основания В этом случае в бетонном блоке развиваются растягивающие температурные напряжения, которые могут привести к образованию температурных трещин в блоке. Величина температурных напряжений будет зависеть от жесткости защемления блока скалой основания и температурного перепада при остыванвм блока. Аналогичные явления происходят и при бетонировании блока на остывшем лежащем ниже бетонном массиве.
Процесс снижения температуры бетонной плотины, разогретой вследствие экзотермических процессов, продолжается в течение нескольких лет (рис. 6.25).
По завершении строительного периода внутренняя часть плотины принимает среднегодовую температуру данной местности, а температура зоны плотины близ наружных граней (на глубину 510 м) колебаниями, зависящими от изменения температуры окружающих плотину воздуха и воды. Эти колебания температуры приводят к неравномерному характеру распределения температуры по сечениям плотины (рис. 6.26), что также является причиной возникновения температурных напряжений.
В целях снижения температурных напряжений и предотвращения появления трещин применяют специальные мероприятия (см. гл. 16). В строительный период при возведении сооружения бетон укладывают в отдельные блоки, швы между которыми обеспечивают свободное развитие температурных деформаций.
Для снятия температурных напряжений в эксплуатационный период плотину разрезают по длине постоянными температурными швами (рис. 6.27, а). Наряду с этим, часто совмещая с последними, делают конструктивные или осадочные швы (рис. 6.27, б) во избежание появления трещин в плотине из-за развой жесткости отдельных пород, залегающих в основании. Расстояние между температурными швами делают таким, чтобы в секциях между швами не возникали опасные растягивающие напряжения.
Усадка бетона и его набухание, так же как и температурные изменения, вызывают соответствующие деформации и напряжения в бетоне. Усадка продляется в начальный период существования плотины и затем при изменении влажности бетона, главным образом в поверхностном слое тела плотины, подвергающемся усыханию.
Набухание бетона процесс, обратный усадке. Оно проявляется в основном у напорной грани плотины и является фактором положительным, так как частично компенсирует неблагоприятные здесь напряжения.
При расчетах температурновлажностных напряжений, особенно для бетона в молодом возрасте, необходимо учитывать ползучесть бетона, что приводит к существенному уменьшению напряжений. Методы расчета температурных напряжений изложены в гл. 16.
Напряжения, вызываемые резкими изменениями профиля плотины и отверстиями в нем. Переломы профиля плотины вызывают местную концентрацию напряжений (см. п. 6.5 и рис. 6.21). Для снижения местной концентрации напряжений рекомендуется в местах уширения профиля или перелома граней сглаживать углы.
Устройство смотровых галерей, полостей или иных отверстий также вызывает перераспределение напряжений внутри тела плотины. Поперечное сечение отверстий может быть прямоугольным, треугольным, круговым и др., а при размещении в полости машинных залов ГЭС и более сложной формы (рис. 6.286.30).
Для круговых или эллиптических отверстий, стенки которых расположены от граней плотины на расстоянии не менее ширины отверстия, решение задачи о напряжениях приближенно может быть представлено как для бесконечной пластинки с отверстием.
Еслиравномерно распределенные нормальные напряжения в сечении по оси, то по контуру эллиптического отверстия с главными осями а и b напряжения будут равны (см. рис. 6.28, пунктир)
В случае кругового отверстия (см. рис. 6.28, а) распределения напряжений ст, и ах подчиняются уравнениям:
Реальные галереи, имеющие прямоугольную форму, вызывают в плотине еще большие концентрации напряжений, особенно в углах. На рис. 6.28, б показаны
Эпюры, представленные на рис. 6.28, а, показывают, что вокруг отверстия возникают концентрации напряжений, но концентрации напряжений оу быстро снижаются и уже на расстоянии ширины отверстия от его края несущественны, для о, это расстояние еще меньше эпюры местных напряжении вокруг галереи обычного сечения. При значительной величине полостей и несоблюдении требования о том, чтобы расстояния от стенок отверстия до граней плотины были не менее ширины отверстия, а также в случае сложных форм отверстий местные напря жения следует определять по методу конечных элементов или экспериментально (см. гл. 32).
Часто в плотинах для восприятия концентрации напряжений (в зависимости от величины последних) по контуру галерей устанавливают арматуру (см. рис. 6.30, а), особенно в углах; для снижения местных напряжений углы или скашиваются (кривая 3), или закругляются (кривые 2, 4). Еще лучше выполнять галерею сводчатого сечения (см. рис. 6.30, б), приближающегося к эллиптическому, укладывая впоследствии бетон в зоне А для образования пола и дренажных кюветов. Потолок галереи целесообразно выполнять из несущих сборных элементов, заменяющих опалубку.
Влияние разнородности материала тела плотины. При зональном распределении бетона в теле плотины (см. 6.1) в отдельные части сооружения укладывается бетон разного состава и, следовательно, разной жесткости. Слои бетона, укладываемого у граней (водонепроницаемого у напорной и морозостойкого у низовой), имеют иные значения модуля упругости (обычно большие), чем укладываемого в средней части плотины.
Расчет напряжений в этом случае может быть выполнен следующим приближенным методом. Пусть профиль плотины abed и ее сечение (рис. 6.31) составлены из трех слоев, имеющих модули упругости Е\ Ег% F3 и площади Fu Fh F3. Горизонтальное сечение секции плотины в виде прямоугольника заменив «приведенным» сечением, имеющим одинаковый модуль упругости (например, Ег) по всей площади. Для этого площади F и F3 изменяют пропорционально отношению модулей (рис. 6.31,6). Полученное приведенное сечение площадью с модулем вводится в расчет для определения нормальных напряжений по известной формуле вне центренного сжатия (6.24):
Напряжения в заанкеренных плотинах. В ряде случаев применяют так называемое заанкеривание бетонной плотины в скальном основании для увеличения их сопротивления сдвигающим усилиям, экономии материала в сооружении и погашения возникающих растягивающих напряжений у напорной грани плотины, а действительное горизонтальное сечение секций плотины; б приведенное сечение; в эпюра приведенных нормальных напряжений а; г эпюра действительных напряжений Рис. 632. Схема к расчету анкера
Эффект заанкеривания может быть понятен из рассмотрения элементарной схемы (рис. 6.32). Предположим, что имеем плотину классического типа и эпюрой напряжений (рис. 6.32, а).
Если уменьшить ширину плотины понизу , то эпюра напряжений изменится и появятся растягивающие напряжения на верховой грани при наполненном водохранилище (рис. 6.32, б). Прилагая усилие анкера Р (дм простоты считаем его приложенным вдоль верховой грани плотины), получим элементарным расчетом (рис. 6.32, в), т.е. растяжения на низовой грани. Более точный расчет напряжений можно сделать, пользуясь формулами (6.49) и (6.51). Суммируя напряжения в плотине с напряжениями от анкера Р (рис. 6.32, г), получим эпюру, в которой в зависимости от величины Р все напряжения будут сжимающими (или на верховой грани нулевыми).
Таким образом, устройство анкера погашает растягивающие напряжения в плотине в эксплуатационный период, так как при наполнении верхнего бьефа водой они исчезнут.
Но напряженный анкер является не только средством снятия растяжении в плотине, он увеличивает сумму вертикальных сил в плотине и тем самым может компенсировать уменьшение ширины плотины или даже повысить устойчивость сооружения на сдвиг.
Влияние условий пространственной работы плотины. Обычно гравитационные плотины разрезают по длине постоянными поперечными швами на отдельные секции, работающие независимо. Это делается в целях ограничения температурных напряжений и избежания трещин от последних или от неравномерной осадки (см. п. 6.6). Однако при относительно нешироких створах долин может оказаться целесообразным выполнять плотину со штрабленными швами, при которых соседние секции плотины зацепляются одна за другую, или не имеют постоянных швов. Тогда плотина рассчитывается как пространственная система.
Рассмотрим схему работы плотины в створе долины, показанном на рве. 6.33, а. На склонах высота плотины уменьшается по мере подъема основания, нагрузки на отдельные секции и напряжения в них уменьшаются, как и перемещения гребня плотины. При наличии плоских межсекционных швов секции плотины на склонах работают независимо одна от другой, но при штрабных швах благодаря зацеплению в штрабах шва и меньшему отклонению гребня часть нагрузки более высокой секции будет передаваться соседней менее высокой. Это равносильно тому, как если бы нагрузка от воды на соседние секции уменьшалась за счет передачи части поперечной силы по сравнению со случаем независимой их работы. На рис. 6.33, б это схематично показано: вверху сечение плотины и эпюра гидростатического давления (горизонтальная штриховка), внизу то же, в плане.
Еще больший эффект дает замоноличивание швов, т.е. выполнение плотины неразрезной (бесшовной): здесь гидростатическая нагрузка передается не только за счет поперечной силы, но и за счет крутящего момента. Фактически такая плотина будет работать как вертикальная плита, опирающаяся на дно долины н берега с одной свободной стороной (гребень). Расчет напряжений в такой плите может быть аналогичен расчету арочной плотины (см. гл. 10), представляемой как система перекрещивающихся арок и консолей: в данном случае горизонтальных балок и вертикальных консолей, если задача решается методом строительной механики, а при решении методом конечных элементов учитывается график строительства и наполнение водохранилища. Таким образом вначале решается плоская задача, а после омоноличивания пространственная.
Такие неразрезные бесшовные плотины целесообразны в относительно узких створах, где по разным причинам применение арочных плотин нецелесообразно.
Влияние на напряжения очередности строительства плотины. Описанные в предыдущих параграфах методы расчета напряженного состояния плотины предполагают, что нагрузки на плотину прикладываются как бы мгновенно. В действительности сама плотина строится ряд лет и гидростатическая нагрузка на высокую плотину также создается не сразу. В связи с этим напряжения в плотине могут отличаться от рассчитанных в зависимости от условий ее возведения.
Современные плотины иногда ставятся под частичный напор воды недостроенными до их полной высоты. Порядок возведения секций плотины и время замоноличивания швов между ними для восприятия частичного напора воды выбираются такими, чтобы в плотине не появилось растягивающих напряжений. Для этого рассматривается ряд вариантов хода строительства и производятся статические расчеты недостроенного сооружения. Полученные в сооружении и его основании напряжения складываются затем с напряжениями от достраиваемых частей плотины и повышения напора воды.
