РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ И ПРОЧНОСТИ ЗДАНИЙ ГЭС
РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ НА СДВИГ
1. Основные положения
Здание ГЭС должно быть устойчивым на сдвиг. Согласно СНиП II-16—76, проверка устойчивости производится по первой группе предельных состояний со-оружений (по непригодности к эксплуатации). Для обеспечения устойчивости здания ГЭС на сдвиг требуется, чтобы выдерживался критерий
При нескальном основания (песчаные грунты, твердые и полутвердые глины) расчет может производиться на плоский сдвиг при условии, что
В формуле (23-21) приняты следующие обозначения: расчетное значение коэффициента сдвига; характеристики прочности грунта по поверхности сдвига; аср—среднее нормальное напряжение по подошве здания ГЭС.
Индексом I отмечается, что соответствующие данные принимаются для расчета по первому предельному состоянию. При наличии верхового и низового зубьев с одинаковой отметкой заложения горизонтальная плоскость скольжения принимается по их основанию в предположении, что скольжение происходит с захватом грунта.
2. Проверка устойчивости здания ГЭС на сдвиг по горизонтальной плоскости при нескальном основании
При нескальном основании, принимая коэффициент условий работы т=1, условие устойчивости здания ГЭС на сдвиг можно записать в следующем виде;
Значения 5а.в и 5П.Н определяются по ОНиП на проектирование подпорных стен. Активное давление грунта со стороны НБ не учитывается.
Расчеты производятся для трех условий:
1. Нормальной эксплуатации при НПУ;2. Ремонтных условий, когда агрегат демонтирован и вода из спиральной камеры и отсасывающей трубы удалена;
3. Чрезвычайных условий — при пропуске максимального расчетного паводка, землетрясений и т. л.
На рис. 23-13 показана расчетная схема для русловой ГЭС та нескальном основании при сдвиге по горизонтальной плоскости. Значение Тв определяется в основном гидростатическим давлением воды со стороны ВБ. Должны учитываться также волновые воздействия, давление льда, давление от гидравлического удара, сейсмические воздействия и т. д.
Группировка основных и особых сочетаний нагрузок производится, согласно указаниям действующих СНиП. Например, сейсмические воз-действия, дополнительное гидростатическое давление воды при ФПУ включаются в особые сочетания нагрузок.
Ремонтный случай, связанный с демонтажом агрегата, можно рас-сматривать, как строительный и принимать гс = 0,95. Если правая часть неравенства (23-22) оказывается значительно больше левой части, то рекомендуется уменьшить объем бетона, если это допустимо по условиям прочности и конструкции здания ГЭС. Если условия (23-6) не соблюдаются, приходится применять специальные меры, например увеличивать вертикальные силы за счет пригрузки части сооружения водой, устройства понура и т. д.
Здания ГЭС на скальном основании обычно оказываются устойчивыми на сдвиг и не требуют принятия специальных мер. Устойчивость на сдвиг проверяется по линии контакта подошвы здания со скалой. Нарушение устойчивости, например срез по линии контакта, происходит при весьма малых деформациях, поэтому в расчетах отпор засыпки надо принимать равным Ea.i-i. Лишь при упоре в скалу с характеристиками, не уступающими скале основания, ее сопротивление принимают равным 0,7 Еп.н- При наличии в скале основания слабых прослоек необходимо проверить; устойчивость на сдвиг по этим прослойкам. Болеешодробно — см. СНиП П-16-76.
На здание приплотинной ГЭС на скальном основании передается горизонтальное давление Г3 со стороны плотины, значение которого определяется совместным расчетом плотин и здания ГЭС на упругом основании. Значение Т3 зависит от последовательности возведения сооружений и сроков цементирования шва между плотиной и зданием ГЭС. Расчетная схема для этого случая показана на рис.. 23-14, где Т\ обозначает давление воды в пограничном сечении турбинного трубопровода. Остальные обозначения ясны из рисунка.
Рис. 23-14. Расчетная схема для приплотинной ГЭС на скальном основании с зацементированным швом (вес здания, оборудования и вес воды в спиральной камере, отсасывающей трубе и над нею не показаны)
При наличии широкого нецементированного шва между плотиной и зданием сила Т3 отсутствует. Если шов не дренирован и не осушен, то необходимо учитывать горизонтальную силу давления воды Т2 с верховой стороны здания, определяемую погружением здания под уровень НБ на глуби-ну Но.
Если днище отсасывающей трубы отрезано от бычков, то вес днища и давление воды на него (противодавление) исключаются из расчета верти-кальных сил, а само днище должно рассчитываться на устойчивость против всплывания. Взвешивающее противодавление принимается равным (0,2—0,4)Н2. Это противодавление может появиться при наличии сопротивлений в дренажных устройствах под фундаментной плитой. Значение напора Но принимается по наибольшему возможному уровню воды в НБ в период ремонта агрегата. В расчетах, кроме собственного веса плиты, учитываются усилия в анкерах, заделанных в скальное основание.
4. Расчетные схемы деривационных ГЭС
Для деривационных ГЭС расчетная схема зависит от местоположения анкерной опоры трубопровода. На рис. 23-15 представлена расчетная схема для здания с анкерной опорой, вынесенной за его пределы. Обозначения видны из рисунка. Если между анкерной опорой и зданием нет температурного компенсатора, то на здание ГЭС будет передаваться температурное усилие ±Т0. Если анкерная опора включена в массив здания ГЭС, то расчетная схема несколько видоизменяется, что видно из рис. 23-16. На анкерную опору действует наклонная сила давления воды в пограничном сечении турбинного трубопровода, разделяемая на горизонтальную Т\ и вертикальную составляю-щие. Сила гидравлического давления Т2, определяемая глубиной погружения здания ГЭС под уровень НБ, разделяется на две части в соответствии с эпюрами 2—3—4 и 1—2—4—5. Остальные обозначения видны из чертежа.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ПОДОШВЕ ЗДАНИЯ ГЭС
Давление на грунт должно быть определено для указанных выше трех эксплуатационных случаев — нормального, ремонтного и особого, а также для строительного, когда здание ГЭС находится за перемычкой и отсутствуют силы давления воды и льда.
Определение давления на грунт обычно производится по формуле внецентренного сжатия.
Для горизонтального основания нормальная сила ЕР равна сумме вертикальных сил, действующих на блок агрегата.. При определении максимального давления на грунт учитывается минимальное значение
Рис. 23-1-5. Расчетная схема для деривационной ГЭС на нескальном основании с анкерной опорой, вынесенной за пределы здания ГЭС (вес здания, оборудования и воды в спиральной камере и отсасывающей трубе, а также анкерная опора — не показаны) противодавления; при проверке отсутствия растягивающих напряжений в основании противодавление учитывается в своем максимальном значении прямоугольной подошвы
Формула внецентренного сжатия для блока может быть написана в таком виде:
Для русловой ГЭС на рис. 23-17 представлены эпюры напряжений для строительного, нормального эксплуатационного и чрезвычайного случаев, когда понур разрушен и агрегат ремонтируется. Напряжения в основном не должны превосходить допустимых значений. В эксплуатационных условиях не должно быть растягивающих напряжений в основании. При податливом основании особенно важно, чтобы распределение напряжений во всех случаях было возможно более равномерным. Неравномерность напряжений в основании зависит от относительного эксцентриситета. Чем меньше е/В, тем меньше разнятся напряжения сттах и tfmin. Удлинением или укорочением той или иной из сторон плиты, образованием пустот или увеличением массивности в отдельных частях плиты и другими способами можно уменьшить эксцентриситет равнодействующей сил.
Рис. 23-17. Эпюры напряжений для случаев: a — строительного; б — нормального эксплуатационного; в — чрезвычайного
Давление на скальное основание под зданием приплотинной или деривационной ГЭС с отрезанными днищами отсасывающих труб целесообразно определять по формуле (23-26) внецентренного сжатия, которая применима при любой форме подошвы здания:
Из состава вертикальных сил должны быть исключены: вес отрезанного днища отсасывающей трубы и действующее на нее взвешивающее противодавление воды.
При расположении здания деривационной ГЭС на сжимаемом основании, во избежание появления перенапряжений в грунтах основания, фундаментная плита блока или секции из нескольких блоков выполняется сплошной и под ней устраивается плоский дренаж. В таких случаях давление на податливое основание можно определять по формуле (23-25).
ОСАДКИ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СМЕЩЕНИЯ
Выемка котлована, возведение здания ГЭС, наполнение водохранилища вызывают изменение напряженного состояния грунта основания. При податливом основании это влечет за собой деформации грунта, осадку и смещение здания. Осадки могут быть равномерными и неравномерными. При равномерной осадке все точки плоскости подошвы здания имеют одинаковое вертикальное перемещение. Неравномерная осадка может проявиться в виде крена сооружения иди в виде его прогиба.
Различают конечные (стабилизированные) и не завершенные к данному моменту времени (нестабилизированные) осадки сооружений. Обычно ограничиваются определением конечных осадок. В ряде случаев представляется необходимым дополнительно установить нарастание осадок во времени и их значения для некоторых характерных моментов времени возведения или эксплуатации сооружений. Например, для здания ГЭС такими характерными моментами являются присоединение анкерного понура к зданию ГЭС, начало монтажа агрегатов, заполнения водохранилища и др.
При податливом основании могут произойти большие осадки, более 20—35 см. Осадки могут сопровождаться наклоном здания в строительных условиях в одну, а в эксплуатационных условиях — в другую сторону.
При больших горизонтальных нагрузках, вызываемых давлением воды, происходят также горизонтальные смещения здания ГЭС в сторону НБ. Расчет осадок и горизонтальных перемещений здания производится по методам механики грунтов.
ПРОЧНОСТЬ ЗДАНИЯ ГЭС
Прочность здания определяется в продольном и поперечном на-правлениях. Кроме того, железобетонные части здания ГЭС должны быть рассчитаны на трещиностойкость. Необходимо обеспечить отсутствие трещин или ограниченную допустимую ширину их раскрытия в растянутой зоне.
Поперечная (вдоль потока) жесткость подводного массива здания русловой ГЭС создается главным образом основными бычками, а также промежуточными бычками водоприемника и отсасывающей трубы и перекрытиями. Однако эта жесткость должна быть обеспечена прочностью самих бычков и всего массива при работе его на изгиб и на поперечную силу.
В подводном массиве русловой ГЭС с вертикальными агрегатами наиболее опасным является вертикальное сечение, проведенное по наружной грани стенки спиральной камеры через перекрытие отсасывающей трубы и фундаментную плиту. При значительном напоре опасными являются также сечения, отделяющие щитовую стену от подводного массива.
В продольном направлении (поперек потока) подводный массив здания ГЭС на нескальном основании также оказывается сооружением, способным изгибаться в зависимости от различной податливости грунтов по длине станции и неодинакового веса отдельных секций, например при ремонте агрегатов, когда из одного блока удалена вода и агрегат демонтирован. Кроме того, в сооружении большой длины возникают весьма большие напряжения от изменения температуры, растягивающие при охлаждении и сжимающие при нагревании.
Растягивающие температурные напряжения могут привести к образованию сквозных температурных трещин поперек здания. Эти трещины недопустимы по условиям фильтрации. Они соединяют верхний бьеф с нижним и могут дать доступ воде во внутренние помещения здания ГЭС. Во избежание образования трещин производится разрезка массива здания вдоль потока температурными швами (см. §23-7). Общая прочность здания ГЭС в значительной степени зависит от очередности возведения сопряженных сооружений — плотины, шлюза, здания ГЭС. Поэтому расчет прочности должен быть увязан с календар-ным планом производства работ, а сам план целесообразно составлять таким образом, чтобы в продольном направлении изгиб подводного массива здания ГЭС на нескальном основании был бы возможно меньшим.
Все элементы здания (плита, бычки, конструкции спиральных камер и отсасывающих труб) рассчитываются на прочность по правилам расчета гидротехнических конструкций СНиП II-56—77. Относительно сложным оказывается расчет железобетонной спиральной камеры таврового сечения с толстой стенкой (см. рис. 23-7). Расчет металлических спиральных камер круглого сечения обычно производится на заводе-изготовителе гидравлических турбин. Особую сложность представляет расчет сталежелезобетонных камер высоконапорных ГЭС.
При расчете отсасывающей трубы выделяют опорный конус, на который через статор турбины передается нагрузка от веса турбины, генератора, потолка спиральной камеры, осевого давления воды. На внутреннюю поверхность конуса действует гидродинамическое давление. Расчет нижней части отсасывающей трубы, состоящей из фундаментной плиты, быков и перекрытия трубы, производится для трех случаев: 1) нормального эксплуатационного; 2) ремонтного; 3) строительного.
В строительном случае особое внимание надо уделять температурным воздействиям.
Для русловых ГЭС на нескальном основании толщину плиты отсасывающей трубы иногда приходится значительно увеличивать. Например, при глинистом основании для обеспечения устойчивости здания на сдвиг приходится увеличивать объем бетона сверх того, что требуется по условиям прочности.
Здания приплотинных ГЭС обычно располагаются на скальном основании. При расчете общей прочности здания приплотинной ГЭС вдоль потока часто учитывается совместная его работа с бетонной плотиной. Совместная работа может считаться обеспеченной, если нормальные напряжения в сечении вертикального шва, по которому осуществлено замоноличиваиие плотины и здания, получаются сжимающими.
Определение напряженного состояния здания ГЭС и плотины при расчете их на общую прочность вдоль потока производится с учетом последовательности возведения, замоноличивания и загружения сооружений. После определения нормальных и касательных напряжений в сечении шва между плотиной и зданием ГЭС напряженное состояние и прочность могут определяться отдельно для здания ГЭС и для плотины. Здание ГЭС будет находиться под воздействием нагрузок как приложенных к нему непосредственно, так и передающихся от бетонной плотины.
Определение напряженного состояния сооружений до и после их замоноличивания производится на основании теоретических расчетов или экспериментальных исследований на моделях. Проверка прочности конструкций подводной части здания ГЭС при расчете вдоль потока производится по упругой стадии работы с армированием по эпюрам напряжений. При наличии широкого шва между плотиной и зданием приплотинной ГЭС усилия от плотины не передаются на здание ГЭС.
При расчете прочности зданий русловых и приплотинных ГЭС существенное значение имеет выбор расчетной схемы. Расчеты производятся по действующим СНиП. Методы расчета излагаются в соответствующих курсах по расчету железобетонных конструкций. О выборе расчетных схем и об основных положениях расчета см. [0-4, главы 31, 32 и 33] и [0-2, главы 24 и 25].
Наиболее перспективным можно считать метод конечных элементов. Для определения усилий в отдельных элементах здания, например в сталежелезобетонных спиральных камерах, широко применяются эксперименты на моделях из железобетона или из оптически активных материалов.