Основные вопросы проектирования
Предварительное определение основных параметров. На предварительных стадиях проектирования бывает необходимо приближенно, но без большой погрешности наметить основные параметры плотины и подсчитать ее объем. Для этого обычно пользуются методом аналогов или приближенными зависимостями, учитывающими опыт строительства арочных плотин [9, 24].
Учет топографических условий.
При расположении плотины в плане надо стремиться к тому, чтобы пяты надежно опирались в борта ущелья и не «подрезались» из-за резкого расширения ущелья в плане (рис. 7.35, а), наличия оврага (рис. 7.35, б) или резкого поворота реки (рис. 7.35, в). В подобных случаях, особенно если есть опасения в отношении устойчивости того или иного берегового примыкания, следует располагать плотину не в самом узком створе перед расширением долины, а несколько выше по течению.
Ущелье должно быть по возможности симметричным, так как напряженное состояние симметричной плотины благоприятнее, чем несимметричной. Чтобы существенно уменьшить или исключить несимметрию, обычно проводят ряд мероприятий, к которым относятся следующие: дополнительная выемка скалы, выравнивающая поперечное сечение ущелья в месте расположения плотины (рис. 7.31, в); устройство в нижней, узкой части ущелья «пробки» — бетонной конструкции, более толстой, чем плотина (а следовательно, более жесткой и значительно менее деформирующейся под нагрузкой), как бы дополняющей скальное основание (рис. 7.31,г); строительство береговых гравитационных устоев (одного или двух), дополняющих скальные берега (см. рис.7.1,м), устройство контурного шва, устраняющего или уменьшающего несимметричность собственно арочной части плотины (рис. 7.33, а); обычно разница между (рис. 7.35, б) не превосходит 7...10°.
На работу плотины и ее объем влияет форма поперечного сечения дблины в створе плотины. При треугольном ущелье при одинаковом L/h получается более экономичное решение, с меньшим объемом бетона, чем при прямоугольном, трапецеидальном или U-образном ущелье. Весьма неблагоприятны резкие изменения в профиле ущелья, у которых возникают местные напряжения (иногда значительные). В этом случае принимают те же меры, что и для несимметричных ущелий.
Учет геологических условий. Надежность работы арочных плотин в значительной степени зависит от того, насколько полно и правильно учтены при проектировании геологические условия.
Как было указано, арочные плотины нередко приходится строить на ниэкомодульных и разномодульных основаниях. Некоторые расчеты, проведенные при отношении п модуля упругости бетона Еп к модулю деформации скалы в пределах 2...20 [9], показали, что деформации и напряжения плотины значительно увеличиваются лишь при 4...5. Очень жесткие основания, при которых увеличивается неравномерность распределения напряжений, как и очень податливые, нельзя считать благоприятными в отношении напряженного состояния плотины. Иногда считают, что наиболее желательно п=2...3.
На напряженное состояние плотины может существенно влиять неоднородность упругих характеристик скалы по контуру плотины. Жесткие слои служат как бы концентраторами напряжений, а сильно податлдаые, не воспринимающие в большой мере нагрузку, вызывают перегрузку плотины в местах опирания на более жесткие породы и для улучшения работы сооружения требуют тех или иных мероприятий — устройства более широкой опорной части (подушки, седла) в зоне слабой породы; стенок или столбов, проходящих через слабую породу (см. рис. 7.11); «ныряющей» верхней арки, формируемой швами-резре- зами и отсутствием упора в скалу в верхние части плотины, как это сделано на японской плотине Куробе [9] и др.
Очень важно правильно наметить и осуществить весь комплекс необходимых в конкретных условиях противофильтрационных и укрепительных мероприятий в основании и берегах плотины (см. 7.1.2).
Большое внимание при проектировании уделяют анализу работы береговых примыканий плотины. При этом выполняют приближенные расчеты береговых примыканий (3.2), а при лабораторных исследованиях (см. 15.1) в соответствующих случаях на моделях воспроизводят основные трещины и ослабленные зоны, блочность скалы.
Очертание плотины в горизонтальных и вертикальных сечениях. В настоящее время, кроме круговых арок, большое распространение получили арки с более сложными очертаниями осей — трехцентровые, очерченные по параболе, гиперболе, логарифмической спирали и др. При этом стремятся получить наиболее хорошее распределение напряжений в плотине и обеспечить благоприятную работу скалы в береговых примыканиях с учетом геологического строения створа [9]. Для улучшения напряженного состояния плотины арки часто уширяют к пятам (в современных плотинах 1... 1,5 часто порядка 1,2...1,3, где е„ и ек — толщина арочных колец в пяте и ключе).
Центральные углы арок 2 а0 (рис.7.31,а) в современных плотинах равны у гребня 90...130° и постепенно уменьшаются книзу до 65...85°, а иногда и больше. Назначая их, стараются добиться возможно минимальных объемов бетона и скалы при благоприятной работе плотины и береговых примыканий.
Характерная форма вертикального ключевого сечения (центральной консоли) плотин с постоянным центральным углом показана на рисунке 7.31,а: толщина поверху меньше, чем понизу, с вертикальной или почти вертикальной низовой гранью на всей ее высоте, часто за исключением несколько утолщенной нижней части, в которой существенно уменьшаются центральные утлы. Для цилиндрических плотин, особенно арочно-гравитационных, характерны сечения консолей с вертикальной верховой гранью и наклонной прямолинейной или слегка криволинейной низовой (рис. 7.31, б, 7.32,6).
Купольные плотины имеют достаточно резко выраженные искривления консолей, обычно уто.лщающихся книзу (рис. 7.31,6, г, 7.32, а, 7.34,6, в и др.).
При широких долинах с 3,5... 4 для снижения консольных напряжений и надлежащей загрузки арок нередко уменьшают жесткость консолей, устраивая их постоянной или близкой к постоянной толщины — с утолщенным гребнем (см. рис. 7.37, а). С той же целью делают (не только в широких створах) и швы-надрезы у основания (рис. 7.32, 6; 7.33, 6; 7.37, 6), горизонтальные швы-шарниры или скользящие швы, расчленяющие плотину на пояса (см. рис. 7.1, л).
При выборе очертаний искривленных консолей необходимо учитывать их работу в строительных условиях. Арочные плотины возводят отдельными столбами, разделенными временными усадочными швами (рис. 7.36), которые после завершения усадки бетона (обычно через 6...8 мес) заделывают (цементируют или бетонируют) при небольшой положительной температуре (порядка 3...5°С), а в некоторых случаях близкой к средней многолетней данной местности. Лишь после заделки этих швов плотина или ее часть (ярус) начинает работать как арка. Нулем расчетных температур является температура заделки швов. Так как понижения температуры обычно создают менее благоприятное напряженное состояние плотины, чем ее повышения (см. 7.5.6), швы и заделывают при относительно низких температурах.
При сильноискривленных консолях их невозможно возвести сразу на всю высоту без заделки швов по ярусам, так как из-за значительных эксцентриситетов приложения да грузки от собственного веса появятся недопустимые растягивающие напряжения в основа- нии и других сечениях. Если плотина строится в сейсмическом районе, растяжение возникает и от сейсмических воздействий. Во избежание этого приходится такие консоли возводить ярусами, заделывая временные швы прежде, чем переходить к бетонированию следующего яруса консоли (рис. 7.36). Высоту яруса устанавливают из условия отсутствия или ограничения растягивающих напряжений оу в нижнем сечении данного яруса консоли от собственного веса и других сил (например, сейсмических), действующих в период строительства.
Иногда для того, чтобы в строительных условиях в определенной мере избежать указанных ограничений и обеспечить надежную работу искривленных консолей до замоноличивания вертикальных временных швов, устраивают приливы со швами (рис. 7.37, о) или опоры-контрфорсы (рис. 7.37,6), поддерживающие в строительный период искривленные столбы и отделенные от опорных подушек швами. В эксплуатационный период плотина работает искривленным расчетным профилем.
Конструкции основных элементов. Гребень плотины. Гребень арочной плотины обычно конструктивно оформляют так же, как и гравитационной (гл. 7.2).
Швы. Временные радиальные усадочные швы бывают трех типов: цементируемые (рис. 7.38, а), бетонируемые (рис. 7.38, б) и комбинированные (рис. 7.38, в и 7.37, б).
В большинстве случаев применяют цементируемые швы (шириной несколько миллиметров, образующиеся при усадке и остывании бетонных блоков, бетонируемых враспор)—как наиболее простые и дешевые и в то же время достаточно надежные при современных способах цементации и качественном выполнении ее.
Менее подобные в производственном отношении бетонируемые широкие (шириной 0,7...1,5 м) и комбинированные временные - швы-устраивают редко.
Расстояние между радиальными усадочными швами обычно принимают в пределах 9,5...18 м, чаще 10...15 м.
Схемы контурных швов приведены на рисунке 7.38, г, д. Конструкции этих швов, а также швов-надрезов, продольных швов (рис. 7.32, а), швов- разрезов и горизонтальных швов, расчленяющих плотину на пояса (см. рис. 7.1,л), приведены в [9].
Продольные швы можно применять в следующих случаях: при большой толщине плотины как временные за- моноличиваемые температурно-усадочные швы, аналогичные швам гравитационных и контрфорсных плотин при столбчатой разрезке; при строительстве плотины в две очереди и более; в качестве мероприятия, улучшающего напряженное состояние плотины (расчленение конструкции на ряд более тонких арок улучшает распределение напряжений [9]).
Дренаж тела плотины. Его устраивают для организованного отвода воды, фильтрующейся через тело плотины, и недопущения ее выхода на низовую поверхность — во избежание ее замерзания зимой и более быстрого вследствие этого выветривания бетона у низовой грани. Выполняют его так же, или как и в гравитационных плотинах (гл. 7.2) — в виде трубок диаметром 7,5...30 см с шагом 1,5...4 м. Средние градиенты для низа дренажа принимают обычно порядка 10...15, иногда выше.
Многие арочные плотины, особенно тонкие, выполнены без дренажа.
Гидроизоляция и облицовка граней, теплоизоляция. В современных плотинах при высококачественном бетоне требуемой марки по прочности, водонепроницаемости и морозостойкости, укладываемом у напорной грани, часто не устраивают специальную гидроизоляцию напорной грани.
Иногда для повышения водонепроницаемости напорную грань все же покрывают гидроизоляцией, обычно битумной или в виде горячей асфальтовой штукатурки. Есть плотины, у которых напорная грань покрыта слоем торкрет-бетона по металлической сетке.
Перспективна, особенно для суровых климатических условий, гидроизоляция напорной грани каменноугольноэпоксидными покрытиями, армированными стеклотканью.
Если к покрытию предъявляют требование хорошей теплоизоляции конструкции (в зоне переменного горизонта ВБ), можно применять пеноэпоксидные составы [116].
Низовые грани арочных плотин в большинстве случаев не имеют защитных покрытий. В суровых зимних условиях при тонких плотинах иногда применяют специальные теплозащитные стенки; в таких случаях возможны и соответствующие теплоизоляционные покрытия, например пеноэпоксидные.
Армирование. Арматуру обычно ставят в местах, где могут возникнуть местные напряжения (у смотровых, водосбросных и других отверстий и галерей в теле плотины, в устьях несквозных швов и др.); у наружных поверхностей плотины для ограничения размеров температурных трещин (в виде сетки, например, 2 0 20 мм или 3 0 16 мм на 1 м длины); в ряде случаев у поверхностей конструктивных швов, например контурных; в верхних арках плотины для восприятия напряжений при сейсме и у подошвы плотины в целях предотвращения образования трещин вследствие концентрации напряжений на отдельных участках в связи с неоднородностью основания и т. д.
Расход арматуры в арочных плотинах обычно не превышает 4...6 кг на 1 м3 бетона, иногда достигает 10... 14 кг, редко бывает больше.
Сопряжение со скалой. В практике строительства арочных плотин применяют различные формы сопряжения арок с берегами (рис. 7.39). Радиальные пяты (рис. 7.39, а, б) хорошо соответствуют исходной расчетной схеме арок и, видимо, в наибольшей мере вовлекают в работу «на глубинный сдвиг» скалу береговых примыканий. Однако при горизонталях, примерно параллельных оси долины, получатся значительные врезки (рис. 7.39, а), что является недостатком этого очертания. В этом случае для уменьшения врезок в скалу применяют различные формы пят с меньшими врезками (рис. 7.39, в—е).
При ступенчатой врезке пяты в скалу (рис, 7.39, в) для восприятия местных напряжений в пяте ставят арматуру.
Распространены полигональные (по схеме рис. 7.39, а) пяты с достаточно большой опорной площадкой а—б, иногда применяют плавные, «ложкообразные» (в частном случае круговое) очертания пяты (рис. 7.39, д); если стремятся уменьшить напряжения на скалу, устраивают в пятах уширения— приливы (А на рис. 7.39, е).
Характер сопряжения со скалой получается в соответствии с формой сопряжения арок с берегами. Обычно избегают значительного общего наклона подошв консолей в сторону НБ.
В разрезе поперек течения реки сопряжение со скалой целесообразно выполнять по плавной линии без резких перегибов и уступов.
Устои и береговые открылки. Устои бывают двух основных видов: прямые в виде гравитационных стенок, воспринимающих нагрузку от усилий в пятах верхних колец плотины и давление воды непосредственно на верховую грань устоя (см. рис. 7.1, м), и с гравитационными открылками, которые дают возможность разгрузить устой от давления воды на его верховую грань и противодавления в основании (пространство между устоем и открылком дренируется), что улучшает работу Собственно устоя (рис. 7.31, г). При этом открылок от устоя отрезают швом. Устои с такими открылками стали применять довольно часто.
Эксплуатационные коммуникации. Для нормальной эксплуатации плотины (осмотра, проведения инструментальных наблюдений за ее работой, ремонта) устраивают подъездные пути к ней, а также различные эксплуатационные коммуникации в плотине, основании и берегах—смотровые галереи (потерны) в теле плотины и в берегах (рис. 7.32, а, б, 7.34,в и др.), шахты для контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) и лифтов (см. рис. 7.6), консольные служебные мостики на низовой грани, (рис. 7.32, а) и др. Смотровые галереи обычно совмещают с дренажными; нередко они заходят в основание и берега (см. рис. 7.6). В качестве смотровых используют цементационные галереи и штольни.