Проектирование мероприятий по улучшению напряженного со­стояния арочных плотин

Арочные плотины  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

 Рис. 12.34 Схема к «вписыванию» арочной плотины в мест­ность:
а - поперечный разрез местности по оси предполагаемой посадки плотины; б - профиль центральной консоли; в - план-срез на от­метке V ; г - пример неблагоприятной врезки арки (возможен скол по линии Б-Б); 1 - поверхность ущелья; 2 - граница здо­ровой скалы; 3 - контур опирания плотины; 4 - пробка

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 применяются следующие конструктивные и технологические меро­приятия, 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) безмоментного очертания, позволяющего избежать возникновения растягивающих напряжений; местное изменение толщин арочной плотины, например утолщение арок в пятах, некоторое утоньшение нижней части консоли и др.; применение различных конструктивных швов в плотине; изменение жесткости основания за счет це­ментации, устройства жестких опор и др.

Рассмотрим дополнительно некоторые из указанных меро­приятий.

Устройство конструктивных швов в арочной плотине позволяет добиться улучшения ее напряженного состояния за счет перерас­пределения усилий в оболочке плотины. С этой целью применяют следующие виды швов: контурные швы, швы на отдельных участках контура сопряжения плотины с основанием, швы-надрезы и швы-разрезы.

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 под 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 перемещения 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 противофильтрационной шпонки остается незацементированным, выполняя в после­дующем роль шва-надреза.

Применение контурного шва в плотине позволяет: обеспечить симметричное и плавное сопряжение плотины с опорным массивом; осуществить перераспределение напряжений в плотине и избежать возникновения 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. Примеры сооружений с контурным швом показаны на рис. 12.10, 12.33 и др.

На рис. 12.35 приведена конструкция контурного шва плотины Люмией (Н= 136,3 м).

Швы-надрезы устраивают обычно в нижней части контура опирания плотины с верховой ее стороны. Швы-надрезы осуществляют промежуточную схему опирания плотины между упругим защемлением и сквозным периметральным швом. Они выполняют те же функции, что и контурный шов в части регулирования напря­женного состояния плотины, и в то же время сохраняют монолит­ность сооружения, что, по-видимому, важно для работы плотины на сейсмические воздействия.

Швы-надрезы осуществлены в плотинах Лауза, Туль (рис. 12.36) и др.; шов-надрез намечался и в проекте Саяно-Шушенской плотины (см. рис. 12.5).

Швы-разрезы на гребне плотины выполняют сквозными; их нижняя граница располагается на плавной кривой, которая образует «ныряющий» гребень плотины. Указанные швы устроены на ароч­ной плотине Куробе-4  (рис. 12.37) для снятия распорных  усилий в верхних арках, опирающихся на слабом участке скалы. Подобное

 Рис. 12.35 Плотина Люмией высотой 136,3 м, L/Н=1,12 (Италия):
а - поперечный   разрез;   б - контурный  шов;   в - деталь   противофильтрационного уплотнения   шва;   1 - железобетонный  блок  уплотнения;   2 - дренаж;   3 - армату­ра; 4 - противофильтрационный состав; 5 - медный лист толщиной 10 мм

решение рассматривалось и для Ингурской арочный плотины, в створе которой на верхних участках правобережного примыкания были обнаружены слабые породы скалы.

Интересно отметить, что исследования  показали целесообраз­ность устройства швов-разрезов и при наличии жестких пачек по­род на верхних участках примыкания. В этом случае, однако, более целесообразно применять швы-разрезы с упругими прослойками, деформативность которых обеспечивает снятие концентрации на­пряжений и использование в необходимом размере работоспособ­ности указанного примыкания. Швы-разрезы с упругими прослой­ками позволяют также существенно снизить моменты и выровнять эпюру напряжений в пятовых сечениях арки, поэтому  применение упругих прослоек из низкомодульного материала может приме­няться как самостоятельное мероприятие для регулирования напря­женного состояния арочных плотин.

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, Мулен-Рибу (см. рис. 12.11) и др. Аналогичное расположение шва приня­то в плотине Куробе-4 (см. рис. 12.37); его мес­тоположение было обос­новано специальными мо­дельными исследования­ми.

Характер работы швов в арочных плотинах, со­оружаемых в широких створах, подробно проа­нализирован.
Имеются и другие предложения по конструк­тивным решениям арочных плотин, направлен­ных 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, 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 (3-10) раз. Аварий подобных сооружений, выз­ванных именно арочной формой плотины,

 Рис.  12.36 Поперечные   сечения плотин со швами-надрезами:
а - плотина Лауза (Франция) высотой 50 м, 1.L/Н =5,7; б - плотина Туль (Швейцария) высо­той 86 м, L/Н =5,35; 1 - смотровая галерея; 2 - незацементированный шов-надрез; 3 - медные шпонки; 4 - клапаны повторной цементации; 5 - воздухоотводящие канавы; 6 - желоба для цементации I очереди; 7 - система для повторной цементации; 8 - горизонтальные шпонки; 9 - шпонки из листового железа; 10 - плотина I оче­реди; 11 - плотина II очереди; 12 - горизонталь­ный шов-надрез (оборудован устройством для его цементации); 13 - раздельный шов, заделанный методом восходящего раствора

несмотря иногда на исключительно смелые формы, не зарегистрировано. Было три случая разрушений невысоких арочных плотин (15-18 м) в США в 20-х годах XX в., но причинами их были или 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.

 Рис. 12.37 Плотина Куробе-4 высотой 186 м (Япония):
а - вид с  нижнего  бьефа;   б - план;   в - разрез    по   А-А;   1 - вертикальные   швы-разрезы (впоследствии заполненные раствором при отметке уровня воды в верхнем бьефе ~ 1400 м); 2 - частичный  контурный шов   (зацементирован  при  отметке уровня воды  в  верхнем  бьефе  ~ 1380 м, незацементирован участок l=50 см от напорной грани до уплотнения);   3 - береговые  гравитационные  открылки;   4 - конструктивные  швы   между  плотиной  и  открылками; 5 - водослив;   6 - временные   (строительные)   водосбросные    отверстия;    7 - водоспуски;   8 -  зоны нарушений, укрепленных в процессе строительства

 Арочные плотины обладают очень высокими запасами прочности,  более высокими, чем другие типы плотин, и способны переносить большие случайные перегрузки: так, плотина Корфино высотой  40 м при толщине понизу 7 м (т. е. 0,18 Н) перенесла сильное землетрясение без всяких повреждений; плотина Понтезей (Италия) при затоплении подверглась двукратной перегрузке также без каких-либо повреждений.                                                                                

О большой надежности арочных плотин свидетельствует и известная катастрофа на водохранилище Вайонт в 1963 г. В результате  обрушения    в   верхнем     бьефе   огромного   оползня   (около 300 млн. м3) произошло выплескивание воды из водохранилища и; образование волны с высотой примерно 70 м над гребнем плотины.

 Плотина выдержала возникшую при этом перегрузку, несмотря на то, что она является очень тонкой (см. рис. 12.7), произошло лишь незначительное повреждение гребня плотины у левого берега.