Влияние различных факторов на напряженное состояние и прочность плотин
Влияние конструктивных особенностей сооружения. Отверстия. Их условно по сравнению с поперечным сечением плотины подразделяют на малые (потерны, галереи, шахты) и крупные (встроенные ГЭС, турбинные водоводы и т. п.). Около отверстий возникают концентрации напряжений, которые могут привести к образованию трещин; крупные отверстия влияют и на общее напряженное состояние плотины. Расчет напряжений около малых круговых отверстий можно выполнить по Г. Киршу и др.; при отверстиях более сложных форм применяют методы, основанные на теории функций комплексного переменного. При крупных отверстиях с 0,33а (г — радиус отверстия, а—расстояние от верховой грани плотины до центра отверстия) разработаны расчетные методы; при г=0,5а они дают расхождение с экспериментальными данными до 30 %; при г=0,66 а можно использовать метод конечных элементов или экспериментальные методы, в частности метод фотоупругости. Растягивающие напряжения в точке Л (рис. 3.9, а) могут от гидростатической нагрузки достигать при вариантах I и 1 встроенного задания ГЭС 3,1 МПа, а в точке В соответственно 2,6 и 3,3МПа; напряжения от гидростатического давления и собственного веса плотины в зоне трубопровода приплотинной ГЭС достигают 0,9...1 МПа [48].
Швы-надрезы на верховой грани. Для снятия или уменьшения растягивающих напряжений на контакте плотина— основание гравитационных и контрфорсных плотин предлагается устройство шва-надреза глубиной d=(0,03...0,04); дальнейшее углубление шва- надреза вызывает увеличение за ним растягивающих оу и касательных напряжений. Для арочных плотин значение d составляет 0,3 b и более (b — толщина плотины). Благоприятное влияние шва-надреза распространяется по верховой грани на расстояние (2,5...3) d. По высоте плотины можно устраивать два-три шва-надреза, нижний на высоте (0,02—0,03) Нпя от подошвы.
Прост ранет вечность работы плотин. Устройство штрабных швов по длине плотины или их омоноличивание существенно сказывается на напряженном состоянии, в особенности в сравнительно нешироких створах. Так, для гравитационной Курпсайской плотины (длина плотины L=360 м, высота 115 м) для вариантов с омоноли- ченными и штрабными швами максимальные напряжения от гидростатического давления снизились соответственно в 2,06 и 1,9 раза по сравнению с напряжениями в отдельных секциях [31].
Раскрытие горизонтальных строительных швов и трещин в сооружении. Сезонные колебания температуры вызывают большие растягивающие температурные напряжения на низовой и верховой (в особенности при значительной сработке водохранилища) гранях, что приводит к раскрытию строительных швов на глубину 2... 3,6 м; при этом уменьшается расчетное сечение плотины и снижаются сжимающие напряжения по верховой грани (возможно появление и растягивающих напряжений до 1 МПа и более). Трещины, возникшие в строительный период вследствие экзотермии при их значительном раскрытии, служат источником вторичного трещинообразования и могут резко снизить несущую способность плотины (рис. 3.9, в) и сказаться на характере разрушения.
Влияние геологических особенностей и свойств основания, а также его деформаций вследствие пригрузки воды водохранилища. Податливость основания. Соотношение модулей деформации плотины и основания оказывает влияние на напряженное состояние контакта плотина — основание (рис. 3.10, а, б) и в’близи него.
Анализ этих данных показывает, что:
при опорожненном водохранилище имеют место концентрации сжимающих напряжений оу и ох на верховой грани;
при наполненном водохранилище и весьма жестком основании возможно появление растягивающих напряжений оу и ах в точке 1; при слабом основании имеются большие концентрации сжимающих напряжений оу и ох в точке 2 (см. рис. 3.10); при п=1...2 (что близко для реальных условий), подсчитанные методами теории упругости и сопротивления материалов, близки.
На коэффициент концентрации надо умножать напряжения, полученные по формуле внецентренного сжатия. Концентрация напряжений в основании быстро убывает; на глубине, равной, средние напряжения ау уменьшаются соответственно на 30 и 50 %.
Влияние соотношения модулей деформации на напряженное состояние арочных плотин приведено на рисунке в, г [24].
Разномодульность массива основания и трещины в основании. При разномодульности основания неблагоприятен случай (рис. 3.11, а) — податливое основание в нижнем бьефе, что может привести: к уменьшению сжимающих (или появлению растягивающих) напряжений у верховой грани в точке 1 (аналогичен эффект укрепительной цементации в зоне завесы); к концентрации напряжений оу, ах в точке О. Благоприятным является случай. Напряженное состояние в точке 1 можно улучшить увеличением жесткости основания под низовой гранью плотины цементацией с учетом ее возможного влияния на значение фильтрационного противодавления.
Наличие разномодульных массивов существенно влияет на несущую способность арочных плотин [24].
Вертикальные или крутопадающие трещины (или ослабленные зоны). Ослабленные зоны вызывают:
перераспределение напряжений в плотине, а при расположении трешин около низовой грани снижаются сжимающие напряжения в точке 1 (рис. 3.11,6), что нежелательно;
концентрацию напряжений в зоне трещины;
над трещиной в плотине могут появиться большие растягивающие напряжения ах и снизиться сжимающие напряжения.
Для уменьшения вредного влияния трещин и ослабленных зон предусматривают их цементацию или заделку бетоном на определенную глубину.
Слоистое основание. При слоистом основании и 1,5...4 под низовой гранью возникают концентрации напряжений, близкие к концентрациям при однородном основании.
Деформации основания вследствие пригрузки воды водохранилища (рис. 3.12, а). Они уменьшают сжимающие напряжения на верховой грани. В арочных и бесшовных гравитационных плотинах вследствие эффекта «развала» берегов в горизонтальных и вертикальных элементах могут появиться растягивающие напряжения.
Влияние последовательности возведения сооружения и цементции межстолбчатых швов. Поэтапность возведения. Напряженное состояние плотины с учетом последовательности ее возведения и приложения нагрузок может быть различным [48].
Например при поэтапном возведении плотины (рис. 3.12,6) напряжения в точке А от нагрузок I этапа; от нагрузок II этапа.
При ступенчатом поэтапном возведении (см. рис. 3.12,6) в точке В растягивающие напряжения от гидростатического давления увеличиваются на 23...25 %, а сжимающие от собственного веса лишь на 5...8 %. Существенно влияет процесс возведения и иа термонапряженное состояние.
При послойном наращивании плотины напряжения в целом по плотине отличаются незначительно, но на верховой грани учет поэтапности резко ухудшает напряженное состояние (могут появиться растягивающие напряжения (Ту).
Цементация, межстолбчатых швов. Швы раскрываются вследствие усадки и охлаждения бетона. Осутствие цементации при большом раскрытии швов резко ухудшает напряженное состояние при действии гидростатического давления. Очевидно, степень этого ухудшения зависит от ширины раскрытия швов. Теоретические исследования, выполненные в Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте, показывают, что отсутствие цементации мало влияет на напряженное состояние плотин высотой менее 40 м. По данным МГМИ и МИСИ, швы (трещины) небольшого раскрытия (до 1 мм) мало влияют на несущую способность, снижая обобщенный коэффициент запаса иа 5...15 %.