Силы, действующие на водосливную плотину, расположенную на нескальном основании
1. Гидромеханическое давление воды на тело плотины со стороны открытого (не фильтрационного) потока воды. Для водосливной плотины можем иметь два разных случая. Прилагая уравнение количества движения к отсеку воды, заключенной между сечениями 1—1 и 2—2 (рис. 19.1,6), можно найти горизонтальную и вертикальную составляющие гидродинамического давления, действующего па бетонную плотину, если затворы открыты, причем вода переливается через плотину. Сопоставление указанных составляющих с силами гидростатического давления, получающегося, при закрытых затворах плотины, показывает, что в качестве рас четного (наиболее опасного) следует принимать случай, показанный на рис. 19.1, а, т. е. рассчитывать плотину на гидростатическое давление.
В некоторых случаях при выполнении статических расчетов приходится дополнительно интересоваться давлением на отдельные конструктивные секции плотины со стороны воды, находящейся в деформационных швах. Это давление рассчитывают по о(ычным формулам гидростатики.
2. Гидродинамическое давление воды со стороны фильт»ацион ного потока (в частности, противодавление). По методу коэффициентов сопротивления или по способу удлиненной контурно! линии (см. § 17.5) строят пьезометрическую линию Р—Р для подомного контура плотины 1—2—3—а—4—5—6 (рис. 19.2).
Гидродинамическое давление в любой точке подземного контура плотины определяется заглублением этой точки под соответствующей точкой (лежащей на одной вертикали с рассматршаемой точкой), принадлежащей линии Р—Р. Противодавление W действующее на подошву 4—5 плотины, выражается трапецией 4—4— 5—5. Учитывая сказанное о давлениях воды в точках подемного контура, легко можно построить линию п—3—т, огран;чиваю щую эпюру горизонтального давления воды на вертикальньй участок п—3—т контура бетонного массива плотины (см. рш. 19.2), Аналогично может быть построена и эпюра горизонтальной давления воды, действующего на плотину со стороны нижнего бьефа (со стороны фильтрационного потока).
Необходимо подчеркнуть, что шов, отделяющий водобойную плиту от плотины, водопроницаем, и потому в нем действует давление открытого потока, которое считается гидростатическим.
Шпунтовые свайные ряды всегда подвержены действию горизонтального давления воды, направленного в сторону нижнего бьефа. Однако эти силы, возникающие в связи с разностью давлений воды на шпунты с верховой и низовой их стороны, не представляют интереса.
3. Гидромеханическое давление, учитываемое при расчете плотины с железобетонным анкерным понуром. При наличии грунта основания плотины, характеризуемого малым углом внутреннего трения (т. е. глинистого грунта), можем повысить устойчивость плотины на сдвиг с помощью устройства анкерного понура (см. рис. 17.3). Идея анкерного понура, повышающего устойчивость плотин, может быть использована и при желании повысить устойчивость на сдвиг и некоторых других сооружений, например подпорных стен и т. п. Дополнительно к силам гидромеханического давления, рассмотренных выше в пп. 1 и 2, необходимо еще учесть силу вертикального давления воды на понур, которая выражается (в общем случае) эпюрой IV, показанной на рис. 7.4; если под анкерным понуром имеется дренаж, обычно здесь предусматриваемый, то эпюра давления IV, имеющая вид трапеции, обращается практически в прямоугольник.
Железобетонные анкерные понуры в случае глинистых оснований являются весьма эффективным средством повышения устойчивости плотины. Проектирование таких понуров (их армирование и армирование самой подошвы плотины) основывается на использовании особых расчетов.
4. Давление грунта на плотину в месте сопряжения ее с понуром. Здесь можно различать два случая.
1-й случай. Понур водопроницаем (выполнен глинистым, маловодопроницаемым грунтом). Рассмотрим шов п—3 сопряжения понура с плотиной (рис. 19.3). Так как вода будет фильтроваться через глину, то напор вдоль линии п—3 будет падать от Нп до Нз (рис. 19.3; на нем плоскость сравнения обозначена буквами 00); напор выражается возвышением напорной, в данном случае пьезометрической, линии над плоскостью сравнения.
Вертикально направленная вниз фильтрационная сила, дейст вующая на 1 м3 глины, образующей понур, будет равна
При расчете устойчивости плотины не учитывают этой фильтрационной силы, но вместе с тем принимают, что удельный вес грунта, образующего понур.
Таким образом, рассматриваемый понур оказывается прижатым к грунту основания силой, которая выражается площадью а— b—с. Умножая каждую вертикальную ординату этой площади на ув (удельный вес воды), получают нагрузку на ловерхноеть основания, с учетом которой и определяется активное давление грунта Е, действующее на грань 2—3 плотины. При таком расчете, как и в 1м случае, грунт основания считают взвешенным (фильтрационными силами пренебрегают) отся взвешенным (фильтрационные силы не учитывают); при этом считают, что поверхность грунта пригружена водобойной плитой, вес которой уменьшен приложенной к ней архимедовой силой.
Ниже мы ограничимся рассмотрением статического давления льда, возникающего при расширении ледяного поля в связи с повышением температуры воздуха.
При расширении ледяного поля статическое давление льда передается главным образом на быки, так как они являются значительно более жесткой конструкцией, чем затворы. Кроме того, перед металлическими затворами создают утепляемые проруби или защищают затворы от давления льда другим способом (см. § 10.4). Имея в виду сказанное, считают, что все статическое давление льда передается только на быки.
Расчетная схема передачи статического давления льда на плотину показана на рис. 19.5. Согласно этой схеме статическое давление льда, передающееся на один бык, равно Pn=Pnd, где Рл — давление, приходящееся на 1 м длины фронта плотины, определяемое, как для случая глухой плотины; d — толщина быка. Давление Рл, разумеется, не может быть больше некоторого предельного максимального значения Рлшах, при котором происходит раздавливание самого льда
Что касается высотного положения горизонтальной линии действия силы Рл, то оно определяется соответствующими (зимними) уровнями воды.