Общие сведения о гравитационных бетонных плотинах. Реальные профили гравитационных плотин и их отличия от теоретического профиля.

Гравитационные плотины – это такие плотины, устойчивость и прочность которых при воздействии внешних нагрузок обеспечиваются их собственным весом. Материалом для гравитационных плотин в основном служит бетон.

По высоте бетонные плотины подразделяют на низкие (высотой до 40 м), средней высоты (от 40 до 100 м) и высокие (высотой более 100 м). По степени массивности профиля различают массивные и облегченные гравитационные плотины. Гравитационные плотины подразделяют по их назначению на глухие и водосбросные (последние могут быть с поверхностным водосливом или глубинными отверстиями).

Достоинства бетонных гравитационных плотин:

а) простые геометрические формы, позволяющие применять широкую механизацию бетонных работ и использовать прогрессивные типы опалубки;

б) благоприятные условия для создания необходимого термического режима в строительный период, важно при возведении плотин в районах с суровым климатом;

в) применения жестких бетонных смесей с малым содержанием цемента;

г) относительно малая чувствительность к нарушениям технологии возведения; д) низкая стоимость 1 м ³ уложенного бетона.

Недостатки бетонных гравитационных плотин:

а) относительно большие объемы бетона по сравнению с облегченными типами плотин (арочными, контрфорсными);

б) недостаточное использование прочностных свойств бетона;

в) чувствительность к температурным воздействиям эксплуатационного периода и невозможность искусственного регулирования термического режима тела плотины;

г) неравномерное и неблагоприятное распределение напряжений в основании.

Теоретический профиль плотины имеет вид треугольника. Необходимо соблюдение четырех условий: I. Технические условия 1) устойчивость на сдвиг; 2) отсутствие растягивающих напряжений; 3) максимальное главное нормальное напряжение в бетоне не должно превышать допустимого. II. Экономическое условие 4) Поперечный профиль плотины должен иметь минимальную площадь.

При проектировании профиля плотины высоту Н его следует считать заданной. Расчетом теоретического профиля необходимо устанавливать только два его размера: a и b; a определяет место положения вершины А профиля. Решая задачу по определению размеров a и b, можно различать плотины низкие, средней высоты и высокие.

 

Экономичность достигается за счет уменьшения ширины подошвы плотины.

Рассмотрим первое условие: k_cW ₁ =fV, где f — коэффициент сопротивления плотины сдвигу по основанию; k_с — коэффициент запаса устойчивости против сдвига.

Величины W ₁, V и к_с вычисляют по формулам:

=24 кН/м³;

Рассмотрим второе условие: бетон слабо сопротивляется растяжению и в нем недопустимо появление трещин с напорной стороны плотины, так как это вызвало бы опасную фильтрацию воды со всеми ее последствиями. Растягивающие нормальные напряжения в теле плотины могут появиться на напорной грани под действием давления воды верхнего бьефа, поэтому первое условие будет выполнено, если принять эти напряжения в расчете равными нулю. Исходя из условия σ'_н=0, получим по формуле

Минимум b будет при максимальном значении знаменателя дроби. Дифференцируя по п подкоренное выражение и приравнивая производную нулю, получим — откуда n=1- . Величину Для бетона в среднем можно принять равной 2,4. Тогда п= - 0,2, т. е. напорная грань плотины должна иметь обратный уклон (быть нависающей). Ввиду производственных неудобств такого профиля принимают более удобное в строительном отношении ближайшее значение n =0. Следовательно, экономичным профилем плотины при соблюдении первого условия и с учетом производственных удобств является прямоугольный треугольник с вертикальной напорной гранью.

Для такого профиля выражения нормальных напряжений получим, приняв в формулах n =0:

Экономичная ширина для указанного профиля составляет b= при этом напряжения будут равны:

При обычных значениях =2,4 и α₁ =0,5 получим b=h/1,38=0,72h.

Если снять в основании фильтрационное давление (с помощью дренажа и других мер), то α₁ =0 и b=0,65h.

Для удовлетворения обоих условий экономичности профиля необходимо приравнять выражения для b

Только при значениях f =0,6 и более, соответствующих скальным основаниям, получаются наиболее экономичные профили плотин, ширина их по основанию составит (0,7 - 0,8) h, а чем меньше величина f, тем больше растет ширина подошвы плотины b, достигая для песчаных оснований (f =0,4 - 0,5) значения b 1,0 h, а для глинистых (f =0,2 - 0,3), b =(1,2-1,7)h и более.

Теоретические профили плотины на нескальных основаниях получаются уширенными понизу или "распластанными" с неравномерным распределением напряжений и концентрацией их на низовой грани, что недопустимо. Поэтому при построении профиля плотины в случае песчаных и глинистых оснований исходят в основном из условия устойчивости плотины, при этом добиваются более равномерного распределения напряжений по подошве плотины.

Реальные профили гравитационных плотин. В реальных условиях на плотины так же действуют нагрузки: давление наносов в верхнем бьефе, давление ледяного покрова, давление волн, сейсмические нагрузки и др. Это обусловливает необходимость исправления профиля плотины.

Так, при действии сил давления наносов W_H, давления льда W_л и сейсмических сил W_c могут потребоваться уширение подошвы и наклон верховой грани плотины; при волновых явлениях в верхнем бьефе требуется повышение гребня плотины на величину ∆ h, при этом необходим эксплуатационный запас высоты гребня ∆ h ₁. При этом основной профиль плотины дополняется надстройкой весом G _н.Надстройка может иногда вызвать также дополнительный наклон верховой грани.

Устройство водослива на плотине сопряжено с понижением гребня, приданием плавной, округлой формы оголовку и сливной (низовой) грании вызывает некоторое перераспределение сил и моментов; однако чем выше плотина, тем это перераспределение играет меньшую роль.

 

 

6. Статический расчет гравитационных плотин. Определение краевых напряжений σ_х, σ_у, τ на верховой и низовой гранях плотин. Построение эпюр нормальных и касательных напряжений.

Расчет напряжений в гравитационной плотине ведется для участка плотины единичной длины, выделенного вертикальными плоскостями нормально к ее оси (плоская задача). Профиль плотины разбивают по высоте несколькими горизонтальными сечениями, в которых определяются напряжения. Для краевых напряжений на напорной грани- Нормальные напряжения рассчитываются по формуле внецентренного сжатия:

 

 

Для сечения 1-1: ,

«+»-напряжение верховой грани;«-»-напряжение низовой грани. Аналогично определяют напряжения и в остальных сечениях. Зная напряжение σ_у можно определить краевые напряжения из рассмотрения равновесия элементарных треугольников. Проектируем все силы на ось у и записываем условия равновесия:

Для верховой грани:

 

, тогда = , где удельный вес воды. , тогда =

Cо стороны низовой грани с углом наклона :

= m₂², где m₂=tanα₂

y

dy

dx

y

x

 

Требования, предъявляемые к гидротехническому бетону. Марки и классы бетона. Зонирование бетона в гидросооружениях. Контроль качества бетона.

Бетон в гидротехнических сооружениях подвергается различным физико-химическим и механическим воздействиям воды речной или морской, поэтому он должен обладать особыми свойствами, обеспечивающими прочность и долговечность сооружений. Такой бетон называют гидротехническим.

Этот бетон должен обладать следующими качествами: 1)достаточной прочностью; 2)морозостойкостью-сопротивляемость разрушительному действию попеременного замерзания и оттаивания воды в его порах; 3) водостойкостью-сопротивляемостью коррозии; 4)сопротивлением истиранию и кавитационному воздействию воды; 5) монолитностью и трещеностойкостью-сопроивляемостью образования трещин и каверн; 6) удобоукладываемостью при производстве работ.

Прочность бетона зависит от его состава-марки и количества цемента, характера крупного заполнителя и количества воды затворения (водоцементного отношения),от возраста бетона, условий твердения. Прочность характеризуется классом бетона по прочности на сжатие и на растяжение в МПа. Классы бетона по прочности на сжатие: В5; В7,7; В10; В15; В20; В25; В30; В35; В40. На растяжение В0,7; В1,2; В1,6; В2,0; В2,4; В2,8; В3,2. Класс бетона определяется испытанием прочности на сжатие стандартных образцов- призм или соответственно на растяжение(разрыв) образцов-«восьмерок». Образцы испытываются по достижении ими возраста 180 сут.

Водонепроницаемость бетона зависит от его плотности и трещиностойкости. Марки: W2,W4, W6,W8, W10, 16, 18,20. Марка назначается в зависимости то перепада напора(отношение max напора к толщине конструкции) и температуры воды. По водонепроницаемости в 180-суточном возрасте бетон делят на четыре марки: W2; W4; W6; W8 Бетон марки W2 при стандартном испытании не должен пропускать воду при давлении 0,2 МПа, бетон марок W4, W6 и W8— при давлении соответственно 0.4; 0,6 и 0,8 МПа.

Морозостойкость зависит от пористости бетона, размеров пор и равномерности их распределения. За проектную марку принимают число выдерживаемых испытаний образцом в возрасте 28 сут циклов замораживания и оттаивания без снижения прочности бетона не более чем на 15%. Марки:F50, F100,150; 200; 300; 400; 500; 600.

Водостойкость: бетон подвергается насыщению водой или фильтрации. В зависимости от состава воды, бетон подвергается разрушению(пресная вода, вода с растворенными кислотами, солями). Повышение водостойкости достигается увеличением плотности бетона.

Сопротивление бетона истиранию и кавитации: истирание имеет место, когда поток движется с большими скоростями и с наносами. Кавитация- разруш бетона к зонах высоких вакуумов и больших скоростей, когда бетон подвергается бомбандир кавит пузырьков, создающих большое давление.

Трещиностойкость: Основная причина трещин в конструкциях -неравномерное изменение температуры в них, возникают температурные напряжения, которые приводят к образованию трещин. Трещины могут возникнуть и от перегрузок, неравномерной осадке. Для уменьшения температурных напряжений используют низкотермические цементы.

Удобоукладываемость: в зависимости от водоцементного отношения бетон смесь обладает различной подвижностью или Удобоукладываемость. Показатель подвижности –осадка стандартного конуса. Различают смеси: жесткие (для массивных конструкций), малоподвижные, умеренно жесткие, подвижные (в Ж/Б конструкциях).

 

Зонирование бетона в теле плотины. При зонировании бетона помимо условий прочности учитываются вышеперечисленные требования к бетону. В зоне А (зона всегда открытая для атмосферных факторов, колебаний тем-р) укладывают морозостойкий бетон на глубину промерзания. В зоне Б(зона колебания уровня воды) бетон должен быть водостойким, водонепроницаемым и морозостойким. В зону В (зона постоянно находящаяся под водой) укладывается водостойкий и водонепроницаемый бетон. В зоне Г подошвы, за пределами цемен. завесы и дренажа, а также по низовой грани, постоянно находящейся под водой, треб-я водонепрониц может быть снижено или снято. Ширина каждой зоны должна быть не менее 2м.

Контроль качества: Число подлежащих испытанию серий образцов бетона каждой марки назначают из расчета одной серии (три образца) на следующие объемы работ: для массивных сооружений - на каждые 100 м3 уложенного бетона, для массивных фундаментов под оборудование - на каждые 50 м3 уложенного бетона, но не менее одной серии на каждый фундамент, для каркасных конструкций - на каждые 20 м3 уложенного бетона.

Число серий следует увеличивать до 2-3 при ранних сроках ввода в эксплуатацию конструкций менее, чем через 28 дн. после укладки бетона, и при особых условиях работы. Изготовление и хранение контрольных образцов производят по ГОСТ 10180. Для определения прочности бетона на сжатие изготавливают образцы-кубы, размеры которых зависят от наибольшей крупности зерен заполнителя.