Гидротехнические сооружения (Часть 1)
Расчеты напряжений в гравитационных плотинах методом теории упругости. Основные положения
Расчет гравитационных плотин методом теории упругости позволяет определить комплекс напряжений не только на гранях (как элементарным методом), но и в любой точке внутри профиля. При расчете плотины рассматривается плоская задача теории упругости, т. е. анализируется напряженное состояние поперечного профиля плотины треугольной формы (плоское напряженное состояние), а напряжения, нормальные к этой плоскости, не учитываются.
Расчет напряжений в плотине при наличии гидростатического давления и без него
Нагрузками плотины являются собственный ее вес и гидростатическое давление, считаемое от уровня воды в вершине треугольника, фильтрационное противодавление не учитывается.
Расчет напряжений в плотине треугольного профиля от равномерно распределенной нагрузки на грани
В некоторых случаях грань плотины может быть нагружена равномерно распределенной нагрузкой (см. ниже), направленной под некоторым углом к грани (рис. 8.15). Такая задача была решена Морисом Леви, причем выражения напряжений получены им отдельно для нормальной р1 и касательной р2 к грани, составляющих нагрузку р.
Расчет напряжений в плотине от действия сосредоточенной силы, приложенной в вершине профиля
Эта задача была решена Митчелем в полярных координатах с началом их О в вершине треугольного профиля (рис. 8.16). Ось полярных координат ОС проходит по биссектрисе угла 
и углы лучей 
отсчитываются от этой оси. К оси прямоугольных координат ОYось ОG наклонена под углом 
.
Расчет напряжений в той же плотине, вызываемых моментом внешних сил вокруг вершины профиля
При обозначениях на рис. 8.16 (положительный момент по часовой
Рис. 8.16 Схема к расчету напряжений от сосредоточенной силы и момента
Расчет напряжений в плотине трапецеидального профиля
Трапецеидальный профиль плотины можно получить из треугольного, сняв верхнюю часть последнего на некоторую высоту h. К такому профилю «приводится» профиль водосливной плотины. Гидростатическая нагрузка на грань этого профиля, учитывая слой воды на гребне плотин, представляется в виде трапеции, сложенной из равномерно распределенной pо (рис. 8.17, а) и линейно возрастающей р = к(у-h).
Напряжения в гравитационной плотине от прочих нагрузок
Напряжения от давления воды, льда, наносов и др. Используя прием Б. Г. Галеркина, можно рассчитать напряжения в плотине треугольного профиля, возникающие от иных нагрузок, чем рассмотренные ранее.
Задачу о напряжениях от давления льда (см. рис. 8.6, с) можно свести к задаче о напряжениях от сосредоточенной фиктивной силыWл в вершине профиля, равной давлению льда Wл и моменту 
, используя затем формулы (8.48) - (8.52).
Влияние температурно-влажностных явлений в бетоне на напряжения в плотине
Вследствие особенностей бетона, как материала для плотин, температурные явления в бетоне бывают двух родов:
1) в период строительства происходит разогрев бетона вследствие экзотермии на 15-25° и даже иногда до 36° (см, гл. 7) и последующее его неравномерное остывание, вызывающее напряжения сжатия и растяжения, это, так сказать, технологические напряжения;
2) в период эксплуатации плотины появляются напряжения температурные, возникающие от колебаний температуры окружающей среды - воздуха и воды.
Расчеты напряжений в гравитационной плотине и ее основании, совместно работающих как единый комплекс
Расчеты напряженного состояния гравитационной плотины, ранее изложенные, исходили из теории бесконечного клина. При конечной высоте клина - плотины треугольного профиля, поставленной на основание в виде бесконечной полуплоскости, на контакте плотины с основанием возникает перераспределение напряжений по подошве плотины и в ее теле, вызываемое совместностью деформаций контакта плотины и основания.
Деформации плотины и основания
В формировании напряженного состояния на контакте плотины и ее основания существенную роль играет различие в деформациях собственно плотины в подошвенном ее сечении и деформациях основания, возникающих под нагрузкой от плотины. Рассмотрим эти деформации на примере, приводимом Ф. Тёльке.
Плотина треугольного профиля (рис. 8.21), высотой 60 м, шириной по низу 43,8 м (m=0,73), с удельным весом бетона 
=2,3104 Н/м3, модулем упругости
Расчет напряжений в области контакта плотины и основания
Определение этих напряжений, представляющее задачу, связанную с трудоемкими вычислениями, может быть выполнено различными методами. На характер распределения напряжений существенно влияет соотношение между модулями упругости материала плотины Еп и основания Е0. На рис. 8.24 даны эпюры напряжений для разных соотношений модулей упругости материала плотин и основания при опорожненном и наполненном водохранилище, полученные Ф. Тёльке для упомянутой выше плотины высотой 60 м.
Приближенные расчеты контактных напряжений
Известны приближенные методы определения контактных напряжений, дающие вполне приемлемые для инженерной практики результаты. Эти методы исходят из решений для балки или плиты на упругом основании.
В методе И. А. Константинова учитывается, что влияние контактной зоны на напряжения в теле плотины распространяется вверх от основания примерно на 0,2h, где h- высота плотины. В части плотины выше этой зоны напряжения имеют значения, точно соответствующие теории бесконечного клина. Нижнюю часть
Расчеты напряженного состояния плотины и ее основания методом конечных элементов
В последние годы широкое развитие получили расчеты сооружений и их оснований методом конечных элементов (МКЭ).
Общие положения для расчетов устойчивости плотин и допустимых деформаций. Первое предельное состояние
Как уже было разъяснено, гравитационная плотина должна удовлетворять условиям не только прочности, но и устойчивости против сдвига по основанию и в некоторых случаях против опрокидывания под действием горизонтальных сил. Сдвиг плотины (и ее опрокидывание) означает потерю несущей ее способности и непригодность ее для эксплуатации, т. е. наступление первого предельного состояния.
Второе предельное состояние (по деформациям)
В соответствии со СНиПом второе предельное состояние характеризуется тем, что наступают такие деформации плотины и основания (осадки, трещины, чрезмерная фильтрация), которые затрудняют нормальную эксплуатацию сооружения или снижают его долговечность.
Общие конструктивно-строительные особенности бетонных гравитационных плотин
Как уже было отмечено, конструкции бетонных гравитационных плотин в значительной мере диктуются характером их основания - скальным или нескальным; от этого зависит и предельная экономичная высота (напор) сооружений: для нескальных оснований это не более 35-40 м, для скальных - предельный напор, осуществленный на практике, достигает почти 300 м (плотина Гранд-Диксанс - 284 м). Теоретически высота может быть и больше.
Расположение плотин в плане
Обычно ось плотины прямолинейна, хотя бывают и ломаные (Антонивановци в Болгарии) и криволинейные (Днепрогэс), что вызывается обычно геологическими условиями (расположить плотину на наиболее надежных однородных породах), иногда топографическими. Кроме того, играет роль общая компоновка сооружений в гидроузле.
Зонирование бетона в теле плотины
Во всех зонах (рис. 8.27) бетон прежде всего должен удовлетворять условиям прочности в соответствии с их напряженным состоянием. Но в контурных зонах бетон подвергается еще влиянию внешних факторов: колебаниям температуры воздуха, фильтрации воды, истиранию водосливных поверхностей, поэтому здесь бетон должен удовлетворять еще дополнительным требованиям.
Разрезка плотины на блоки бетонирования
Расположение блоков бетонирования по профилю плотины («разрезка на блоки») делается по одной из следующих схем (рис. 8.28):
а) секционная, или длинными блоками, когда вся секция плотины между конструктивными (температурными) поперечными швами бетонируется одним блоком;
Температурные и конструктивные швы и их уплотнения
Как, было ранее указано, плотина разрезается по длине постоянными температурными и конструктивными (осадочными) швами, нередко совмещаемыми друг с другом. Эти швы, как правило, располагаются на равных расстояниях по длине плотины, зависящих от климатических условий и температурного режима плотины в период эксплуатации, обычно от 7-8 до 15-20 м. Расположение швов увязывается со строительными условиями и расположением отверстий в плотине (не перерезать отверстий), а также с разрезкой на блоки бетонирования.
Дренажные устройства
Для снижения фильтрационного противодавления и избежания вредного физико-химического и механического воздействия фильтрации воды в теле плотины устраивается дренаж. Он представляет собой систему вертикальных (реже горизонтальных) дрен круглого сечения, расположенных вблизи напорной грани сооружения (порядка 1/10-1/12 высоты вышележащей части плотины, минимально 2 м), непосредственно за слоем водонепроницаемого бетона, если таковой укладывается.
Смотровые устройства и полости
Для осмотра состояния внутренних частей бетонной плотины, для наблюдения за ходом фильтрации и появлением трещин, для расположения различной измерительной аппаратуры, а также иногда для служебного сообщения между берегами устраивают специальные горизонтальные или наклонные галереи (рис. 8.35) и вертикальные шахты.
Грани и гребень плотины
Если у граней плотины укладывают «зональный» бетон (водонепроницаемый с напорной стороны, морозостойкий у открытых поверхностей, стойкий против истирания по водосливной грани), то обычно никаких специальных их облицовок не требуется.
Если среднемесячная температура наиболее холодного месяца ниже -20° С, применяют легкое армирование (сетка не менее 0,25х0,25 м из стержней d= 20-25 мм) верховой грани в зоне переменного уровня воды.
Так же рекомендуем посмотреть:
-
Виды торговой мебели
Оборудование для торговли необходимо для того, чтобы осуществлять хранение и демонстрацию различного товара. -
Особенности алюминиевых и медных листов
Современная промышленность нуждается в качественных материалах, которые не будут окисляться и подойдут для штамповки любого типа. -
Использование облицовочной керамической плитки
Сегодня, пожалуй, использованием облицовочной керамической плитки уже и не удивишь совсем никого: встретить ее можно если и не в каждом доме, то в трети точно. -
Как сделать подвесной потолок в офисе
Когда на рынке появился гипсокартон, заниматься ремонтом стало проще. Раньше для отделки можно было использовать кафельную плитку, обои. -
Аренда экскаватора: особенности выбора техники и ее эксплуатации
В строительстве, при проведении дорожных работ, в процессе демонтажа зданий активно используется землеройная техника.