Анализ характера работы арочных плотин

Работа арочной плотины может быть проанализирована на основе представления арочной плотины в виде системы арочных и консольных элементов и характера распределения нагрузки между ними.

 Рис.  12.27 Распределение нагрузки между арочными и консольны­ми элементами при различной относительной ширине створа: а - в узком створе; б - в умеренном створе; в - в широком створе

Характеры распределения нагрузки или доли нагрузки, воспринимаемые арочными и консольными элементами, зависят от соотношения их жесткостей. При этом чем выше относительная жест­кость элемента, тем большая доля нагрузки будет приходиться на него.

В арочных плотинах, сооружаемых в узких ущельях, арки, перекрывающие небольшие пролеты, являются более жесткими по сравнению с вертикальными консольными элементами, поэтому основная доля нагрузки будет восприниматься арками (рис. 12.27, а). В узких створах расчет арочных плотин с определенной степенью точности выполняют по методу чистой арки.

В широких ущельях, наоборот, арки, перекрывающие боль­шие пролеты, являются весьма податливыми и менее жесткими, чем консоли, поэтому в широких створах основная доля нагрузки при­ходится на консольные элементы (рис. 12.27, в), которые в этом случае работают по типу гравитационных плотин, что и заставляет значительно увеличивать толщину сооружения. Именно этим объ­ясняется ограничение относительной ширины каньона (), благоприятного для строительства арочных плотин с упругим за­щемлением сооружения по контуру. По-видимому, для того чтобы добиться более благоприятного характера распределения нагрузки в широких створах,  т. е. заставить  в   большей   степени  работать арочные элементы,   необходимо  уменьшить  относительную   жест­кость консолей за счет их ослабления.
Указанной цели можно добиться устройством швов в арочной плотине в виде контурного шва, выполняемого на всей длине кон­тура сопряжения плотины с основанием, шва-надреза или скользя­щего шва, обычно располагаемых лишь на нижнем участке конту­ра сопряжения.

 Рис. 12.28 Характер работы арочной плотины в широком створе при устройстве опорных швов:
а - схемы швов  с фиксированными величинами  сил трения;  б - то же,  с  фиксированными  перемещениями;    в - эпюры    распределения    нагрузки     между    арочными и консольными элементами

 Устройство швов существенно увеличивает податливость консо­ли за счет возможности ее поворота в опорном сечении при шар­нирном шве (рис. 12.28, /) или перемещения и поворота - при скользящем шве (рис. 12.28, //).

Величины указанных деформаций консоли зависят от сил тре­ния, которые формируются в шве, и могут быть ограничены путем создания специальных упоров в фундаментном массиве (рис. 12.28, б); при этом получаются различные характеры распределения нагрузки между арочными и консольными элементами плотины (рис. 12.28, в).

Таким образом, с помощью формирования различных условий работы шва можно осуществить регулирование характера распре­деления нагрузки и, следовательно, загрузку элементов плотины. По-видимому, наиболее целесообразным будет такое распределе­ние нагрузки, которое обеспечит полную загрузку арочных и консольных   элементов   и,   следовательно,   полное   использование их работоспособности.

Аналогичный эффект может быть получен и путем устройства шва-надреза в нижней части сооружения. Устраивая шов-надрез определенной глубины, можно добиться необходимого ослабления консоли и желательного характера распределения нагрузки между арочными и консольными элементами. Однако с помощью шарнир­ного шва или шва-надреза нельзя обеспечить полное использова­ние работоспособности элементов арочной плотины. Действительно, с помощью указанных швов мы можем обеспечить необходимую загрузку верхних арок, при этом нижние арки оказываются прак­тически не загруженными.

Для загрузки нижних арок необходимо обеспечить их перемещение [см. формулу (12.20), ], что до­стигается лишь с помощью скользящего шва (см. рис. 12.28, //, в).

В арочной плотине со скользящим швом и определенными ве­личинами трения в нем возможно добиться наиболее полного ис­пользования работоспособности арочных элементов и, следователь­но, получить наиболее экономичное решение плотины. В арочных плотинах со скользящим швом с помощью сил трения в шве возможно обеспечить равномерную и полную загрузку элементов ароч­ной плотины.

Указанное направление, связанное с регулированием напряжен­ного состояния плотины, по-видимому, является практически бо­лее перспективным в оптимизации профиля плотины, по сравнению с отысканием его безмоментного очертания.

В арочных плотинах существуют значительные возможности по регулированию их напряженного состояния с помощью различных конструктивных и технологических мероприятий.