Плотины с предварительным напряжением бетона, заанкеренные

Идея искусственного напряжения кладки плотин впервые осуществлена в 1934 г. при усилении плотины Шерфа (Алжир) из ка­менной кладки на растворе, в связи с наращиванием ее на 3 м, а также из-за недостаточной прочности и устойчивости (рис. 10.24).

В целях ликвидации растягивающих напряжений у напорной гра­ни и увеличения сопротивляемости плотины сдвигу были примене­ны анкеры - стальные тросы, опущенные в специальные скважи­ны в теле плотины и основании (песчаник) и зацементированные в скважинах на глубине 22-24 м от подошвы плотины. С помощью домкратов на гребне плотины анкеры натянуты так, что создавали усилие, в целом равное 1/3 веса плотины.

Успех заанкеривания плотины Шерфа, а затем плотин Фергу (Алжир), Эвон (Англия) и других (всего более 20 случаев) при­вел к мысли

 Рис. 10.24 Заанкеренная плотина Шерфа (Алжир):
а - профиль плотины: 1 - анкер; 2 - известковый песчаник; 3 - известняк; 4 - глина: 5 - расширение анкера при заделке в скалу; б - состав анкера: 1 - гальванизированная проволока; 2 - связка; 3 - изоляция; 4 - битум; 5 - защитные покрытия; 6 - цементное кольцо; 7 и 8 - наконечник и трубка для цементации; в - оголовок тяжа; 1 - нити тро­са;  2 - оголовок;  3 - стальная плита;   4 - кольцо,  распределяющее  давление  по  гребню плотины

использовать анкеровку не только для усиления пло­тин, но и как путь к экономии бетона в плотинах вообще. Так появился тип заанкеренной плотины, где анкера предусматривались основным проектом как существенный элемент конструкции плоти­ны. Примерами таких плотин являются плотины Олт-на-Лейридж в Шотландии (рис. 10.25), Эрнестина в Бразилии, Катагунья в Авст­ралии, Ванапум в США.

 Рис. 10.25 Плотина Олт-на-Лейридж (Шот­ландия):
а - профиль плотины; б - гребень плотины; в - заделка анкера в основании; 1 - оголовок плоти­ны; 2 - анкер; 3 - стыки стержней d = 28,6 мм; 4 - поверхностное армирование; 5 - смотровая га­лерея; 6 - концевое уширение анкера; 7 - це­ментационная завеса

Предположим, что имеем плотину «классического» типа с т = 0,7 (рис. 10.26, а), эпюры напряжений показаны на том же ри­сунке:  и  .

 Рис. 10.26 Схема к расчету анкера

Если уменьшить ширину плотины понизу до вместо b, эпюра напряжений изменится и появятся растягивающие напряжения на верховой грани при наполненном водохранилище (пунктир на рис. 10.26,6). Прилагая усилие анакера Р (для простоты считаем его приложенным вдоль верховой грани плотины), получим элементар­ным расчетом и (рис. 10.26, в), т. е. растя­жение на низовой грани. Более точный расчет напряжений можно сделать, пользуясь формулами (8,48) -(8.51). Суммируя напряже­ния от плотины с напряжениями от анкера Р (рис. 10.26, г), полу­чим эпюру, в которой, в зависимости от величины Р, все напряже­ния будут сжимающими (или на верховой грани нуль).

Таким образом, устройство напряженного анкера погашает растягивающие напряжения в плотине в эксплуатационный период. В случае опорожнения водохранилища на низовой грани плотины появятся растягивающие напряжения , но они неопасны, так как при наполнении верхнего бьефа водой они исчезнут.
Но напряженный анкер является не только средством снятия растяжения в плотине, он как бы увеличивает сумму вертикальных сил в плотине и тем самым может компенсировать уменьшение ши­рины плотины с b на или даже увеличить устойчивость сооруже­ния на сдвиг.

Экономия в затратах, на 1 м длины плотины от применения анкера и уменьшения объема бетона Э может быть приближенно вы­ражена формулой

               (10.4)

 где  - затраты на 1 м³ бетона в сооружении и  - на анкеровку (сталь, бурение скважин и др.).

Опыт строительства заанкеренных плотин показывает, что анкеровка экономически эффективна для плотины высотой до 50-60 м. Экономия в объеме бетона может достигать 30-40% от объема бетона в незаанкеренной плотине, но общая экономия в зат­ратах соответственно ниже - от 10 до 20%, в частности 20% эконо­мии затрат получено по плотине Катагунья (рис. 10.27) в Авст­ралии. 

Конструкции анкерных устройств видны из рис. 10.24, 10.25, 10.27 и подробнее описаны в литературе. Стальные анкеры представляют собой или пачки тонкой проволоки диаметром 5 мм (Шерфа, Катагунья) или стержней диаметром 28-40 мм в специальной оболочке, заделываемые в трубчатые отверстия (шахты) в бетоне плотины и в основание, где они цементируются. Верхний конец анкера имеет оголовок, опирающийся на опорную стальную плиту через домкраты, с помощью которых   анкеры напрягаются усилием 2 -10 МН и более; нормативное сопротивление применяе­мой стали 0,5-0,7 ГПа. Сечение анкера рассчитывается на разрыв, но, кроме того, необходимо определить прочность заделки анкера в скалу.
Для определения глубины заделки (цементации) в скалу пред­ложен ряд формул (Л. Н. Джиоев, К. М. Хуберян, А. 3. Зенкевич и др.), ниже приведена формула А. П. Тимофеева:

                  (10.5)

 Рис.   10.28  Схема   к расчету    заделки   ан­кера в основании

где (рис. 10.28) z- усилие анкера; r- радиус скважи­ны, в которую заделывается анкер; h- глубина заделки;  - удельный вес скалы; с - сцепление в скале осно­вания  (0,1-0,5 МПа); k- коэффициент, характеризующий глубину возможной зоны выпора скалы, .

 Рис. 10.27. Плотина Катагунья (Австра­лия):
а - профиль водосливной части плотины: 1 - тело водослива; 2 - анкерные тяжи; 3 - ого­ловки тяжей (домкраты); б - состав анкера: 1 - заполнение цементным раствором; 2 - ячейки для проволоки; 3 - временные трубки для инъекции раствора; 4 - обмотка мягкого железа; 5 - стальная проволока d = 5 мм; 6 – кольцо  d=1,8 см, l = 10 см.

Анкеры располагаются обычно в один ряд по длине плотины, но бывает и по 2 ряда (см. рис. 10.27), причем по высоте сооруже­ния количество анкеров или расчетное усилие анкеров может ме­няться в зависимости от изменения напряженного состояния пло­тины. Например, в плотине Катагунья нижняя часть напряжена усилием 1,6 МН, а верхняя - 1 МН, каждая своими домкратами (см. рис. 10.27).

Бездомкратное натяжение анкеров предложено было А. 3. Басевичем, остроумно использовавшим собственный вес частей плотины, но широкого распространения оно не получило.