Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

http://horn.hk/ купить пленку для оклейки салона материал для салона авто купить.

Основные типы плотин и их характеристики

Классификация. В СНиП II-54—77 ;[103] бетонные и железобетонные плотины по конструкции разделяются на следующие основные виды.

Гравитационные (рис. 7.1, а—6): массивные (рис. 7.1, а); с расширенными швами (рис. 7.1,6); с продольной полостью у основания (рис. 7.1,в); с экраном на напорной грани (рис. 7.1, г); с анкеровкон в основание (рис. 7.1,6).

Гравитационная плотина — массивное сооружение, устойчивость которого обеспечивается в основном массой сооружения.

Контрфорсные (рис. 7.1, е—з) с массивными оголовками (массивно-контрфорсные, рис. 7.1, е); с арочным перекрытием (многоарочные, рис 7.1, ж); с плоским перекрытием (рис. 7.1,з).

Эти плотины представляют собой ряд расположенных на некотором расстоянии друг от друга контрфорсов 5 (стенок) с напорными перекрытиями в виде массивных оголовков 6, или арок 7, или плоских плит 8 и др. (куполы, гибкие перекрытия).

Арочные — при (рис7.1, м; b — ширина плотины по основанию, h — высота плотины); с защемленными пятами (рис. 7.1,и); с периметральным швом (рис. 7.1, /с); из трехшарнирных поясов (рис. 7.1,л); с гравитационными устоями (рис. 7.1,м).

Обычно арочно-гравитационные плотины считают разновидностью арочных плотин (что принято и ниже в гл. 7.4).

Арочная плотина представляет собой пространственную водоподпорную конструкцию в виде свода, передающего действующие на него нагрузки в основном на скальные берега ущелья.

Часто отдельно выделяют так называемые ячеистые плотины, имеющие полости, обычно заполненные грунтом (рис. 7.2, 7.3). Они могут быть как гравитационными (рис. 7.2, а, б), таки контрфорсными (рис. 7.2,в, 7.3), причем в ряде случаев их можно отнести к каждому из этих типов (рис. 7.2, в).

Бетонные и железобетонные плотины, отличающиеся по конструкции от массивных гравитационных (рис. 7.1,а) и имеющие меньший объем бетона, чем последние, часто называют облегченными (рис. 7.1,6—м, 7.2, 7.3).

По технологическому назначению плотины бывают глухие (рис. 7.1, а— д, ж, з) и водосбросные: с поверхностными (водосливными) отверстиями (рис. 7.1,6, е, 7.2, 7.3), с глубинными отверстиями (рис. 7.23,6) и двухъярусные (рис. 4.1, е).

Общая характеристика основных типов плотин. Рассматриваемые плотины возводят на различных основаниях— скальных, полускальных и нескальных, арочные же — только на скальных. При скальных основаниях обычно строят бетонные плотины, при нескальных — железобетонные. При нескальных основаниях их, как правило, устраивают водосбросными; глухие плотины здесь оказываются обычно неэкономичными, и глухую часть напорного фронта гидроузла перекрывают грунтовой плотиной.

Правильно запроектированные бетонные и железобетонные плотины всех типов являются сейсмостойкими, даже при высокой сейсмичности (но при отсутствии дифференциальных подвижек основания). Бетонные плотины успешно применяют в суровых климатических условиях и на многоводных реках; при достаточно широких створах они позволяют обойтись без туннелей при пропуске строительных расходов; их применяют при различных напорах (высотах), в том числе больших; объемы бетона могут достигать нескольких миллионов кубических метров.



Недостаток плотин данной группы — затраты на их возведение бетона и металла, которые обычно не являются материалами местными (требуют значительных транспортных расходов) и могут быть в определенных условиях дефицитными и относительно дорогими.

Для надежного проектирования и строительства рассматриваемых плотин крайне важно знать и правильно оценить геологические условия в месте строительства гидроузла; получить надежные геотехнические характеристики грунтов (особенно сдвиговые и де- формативные характеристики, в том числе для заполнителей трещин в скальных породах).

Большие успехи в развитии механики грунтов (в том числе механики скальных пород) и методов улучшения оснований за последнее время способствовали совершенствованию и надежному применению бетонных и железобетонных плотин, в том числе при больших напорах и на нескальных основаниях. Наиболее крупные и выдающиеся в инженерном отношении плотины на нескальных основаниях построены в СССР (на реках Свирь, Волга и др.)

Имеется два направления снижения стоимости бетонных плотин.

1. Упрощение конструкции (отказ от устройства в ней различных водоводов, отверстий или сведение их к минимуму; применение простой массивной гравитационной конструкции, уменьшающей количество опалубки и др.). Это дает возможность возводить их высокопроизводительными методами, широко применяя механизацию (послойная укладка невысоких длинных блоков бетона токтогульским методом [115], использование конвейеров и т. д.); не омоноличивать строительные швы (или омоноличивать не все швы); применять малоцементные укатываемые бетонные смеси [122],

При строительстве гравитационной плотины Уиллоу Крик (США, 1982 г., А=66,5 м, объем бетона 306 тыс. м3) из укатываемой бетонной смеси расход цемента у верховой грани был 104 кг на 1 м3 бетона, а во внутренней зоне 47 кг/м3 с добавкой золы-уноса 19 кг/м3.

Укатка осуществлялась вибрационными катками слоями толщиной 25...30 ем за четыре прохода катка; стоимость укатываемого бетона была в 3,4 раза меньше стоимости обычного массивного бетона. Срок и стоимость строительства существенно сократились по сравнению с вариантом гидроузла с каменно-земляной плотиной. 2. Облегчение конструкции — уменьшение объема бетона путем применения контрфорсных и ячеистых конструкций, учета пространственное!» работы сооружения (арочные плотины, гравитационные плотины с замо- ноличенными межсекционными швами и др.), анкеровки (вовлечение в работу основания) и т. д.

В каждом конкретном случае следует проанализировать, какое из этих направлений наиболее рационально. При этом перспективно и может быть целесообразным сочетание этих направлений — разумное облегчение конструкции (не ведущее к существенным производственным усложнениям) и возведение ее высокопроизводительными индустриальными методами, разработанными или модифицированными применительно к данной конструкции. Например, конструкция облегченной (массивно-контрфорсной) Кировской плотины (Л=83 м) была принята такой (достаточно толстые контрфорсы и др.), чтобы ее можно было успешно возвести методом послойной укладки бетона.

При скальном основании облегченные гравитационные плотины (рис. 7.1,6—г) по сравнению с массивными гравитационными (рис. 7.1, а) имеют объем бетона меньше примерно на 8...15 % (редко более 15%). Заанке- ренные плотины при небольших высотах (до 20 или 30 м) могут дать и большую экономию бетона (плотина Олт-на-Лейридж, h=22,2 м—50%). Применение массивно-контрфорсных плотин позволяет получить экономию бетона До 25...40 % (рис. 7.1,е), плотин с плоскими напорными перекрытиями—25...45 % (рис. 7.1,6), многоарочных —30...60 % и более (рис. 7.1,ж). В благоприятных геологических и топографических условиях при относительно узких створах объем бетона арочных плотин (рис. 7.1, и м) сокращается на 50...80 % и более по сравнению с объемом бетона массивной гравитационной плотины в аналогичных условиях. Для арочно-гравитационных плотин это сокращение существенно меньше (порядка 20...30 %).

В стоимости процент экономии меньше (да на 5...10%, иногда больше) ввиду усложнений в производстве работ, некоторого повышения марок бетона и увеличения опалубочных работ при облегченных плотинах и др. Он зависит от многих местных условий — способа пропуска и значений строительных расходов, стоимости рабочей силы и материалов и др.

При нескальном основании существенную экономию бетона (до 20... 45%) по сравнению с массивной конструкцией (см. рис. 7.25) удается обычно получать лишь при загрузке полостей балластом, то есть при применении различных ячеистых конструкций с засыпанными полостями (рис. 7.2, 7.3). Это связано с тем, что при сплошной фундаментной плите (рис. 7.2,6), которая обычно требуется для облегченной плотины при нескальном основании (кроме конструкции А. М. Сенкова, рис. 7.2, а), фильтрационное давление не уменьшается по сравнению с массивной гравитационной плотиной (при облегченных плотинах на скале, приведенных на рис 7.1,6,в, и контрфорсных оно уменьшается), а значительное уполаживание напорной грани контрфорсной плотины, необходимое из условия обеспечения устойчивости плотины на сдвиг при отсутствии загрузки грунтом полостей между контрфорсами, почти всегда приводит к недостаточно конструктивному решению.

Массивные гравитационные плотины на скальном основании (рис. 7.1, а) получили большое распространение из-за своей простоты. Плотины с расширенными швами (рис. 7.1,6) в ряде случаев были успешно применены, но большого распространения не получили; плотины с продольной полостью (рис. 7.1, а) нашли применение лишь в единичных случаях. Это можно объяснить тем, что экономия бетона при таких типах облегченных плотин не очень велика, производство же работ по их строительству несколько усложняется. Плотины с экраном на напорной грани пока строят редко, но в последнее время на них было обращено внимание, причем был выполнен ряд интересных проработок и исследований применительно к Курпсайской плотине (был принят вариант этой плотины без экрана). В такой конструкции при надежной работе экрана можно допустить растягивающие напряжения на верховой грани (что дает более обжатый профиль) и понизить требования к марке бетона (снять требование водонепроницаемости, допустить образование трещин у верховой грани). Их применение сдерживают весьма высокие требования к качеству выполнения экрана (из нержавеющей стали или полимерных материалов) и сомнения в возможности надежного обеспечения этих требований, а также сложности ремонтных работ в случае нарушения целостности экрана.

Заанкеренные плотины (рис. 7.1, с?) применены в ряде случаев, причем выполнены они как гравитационные и как контрфорсные [9] при высотах, обычно не превышающих 55...60 м (при больших высотах возникают трудности с созданием требующегося для получения надлежащего эффекта предварительного натяжения анкеров), на хороших скальных основаниях, позволивших осуществить надежную анке- ровку.

Анкеровку использовали и при надстройке плотин [9]. Большого распространения такие плотины не получили, в основном из-за некоторой сложности выполнения данной конструкции, затруднений размещения различных водопропускных отверстий в плотине при наличии анкеров, достаточно высоких требований к основанию и к качеству выполнения анке- ровки.

Из различных типов контрфорсных плотин, особенно за последние 30... 40 лет, наибольшее распространение получили массивно-контрфорсные (рис. 7.1, е), имеющие достаточно толстые элементы и небольшое армирование (5...15 кг стали на 1 м3 бетона и менее), что дает возможность строить их индустриальными методами и применять в суровых климатических условиях. Многоарочные плотины используют значительно реже, что объясняется сложностью их возведения и большим армированием (30... 50 кг стали и более на 1 м3 бетона). Плотины с плоскими напорными перекрытиями в настоящее время строят очень редко. Из относительно новых плотин данного вида можно упомянуть лишь плотины Мада в Малайзии, построенную в 1970 г., и Кордова в США (h = 27,4 м, пролеты между осями контрфорсов 12,5м). Это связано с тем, что конструкции таких плотин получаются относительно тонкостенными (что не всегда приемлемо по условиям современного производства работ), а перекрывать значительные пролеты плитами обычно нецелесообразно. К тому же требуется довольно значительное армирование конструкции (20...40 кг стали на 1 м3 бетона и более). Относительная тонкостенность элементов иногда может быть нежелательной и из условия долговечности.


Значительно большее распространение массивно-контрфорсных плотин по сравнению с близкими к ним гравитационными с расширенными швами, вполне закономерно, так как они дают большую экономию бетона (см. выше) без существенного дополнительного усложнения конструкции. Контрфорсные плотины, кроме того, позволяют получить большие (по модулю) вертикальные сжимающие напряжения а» в основании у напорной грани (рис. 7.4,а, б) и этим исключить раскрытие контактного шва в основании в зоне цементационной завесы. При контрфорсных плотинах можно при необходимости получить достаточно равномерную эпюру напряжений в основании, что относится к их достоинствам и осуществлено в ряде плотин, особенно на относительно низкомодульных основаниях. Это может быть достигнуто устройством более пологой низовой грани в нижней части контрфорса (прилив А на рис. 7.4, в), а при необходимости дополнительного уменыде- ния напряжений и устройством полной или частичной фундаментной плиты (плотины -Андижанская — см. рис. 7.44, Бен Метир [9]).

В теле контрфорсных плотин напряжения распределяются более равномерно, чем в массивных гравитационных.

Указанный недостаток массивных гравитационных плотин (малое оу в контактном шве) можно устранить или уменьшить применением анкеровки (рис. 7.1, д, 7.4, г), устройством продольной полости (рис. 7.1, в), применением соответствующей разрезки плотины временным, замоноличиваемым перед наполнением водохранилища швом (рис. 7.4, д), а также использованием «активного шва» с плоскими домкратами (рис. 7.4, е). Последнее эффективное мероприятие применено на практике лишь для контрфорсных плотин; оно вовлекает в работу основание и позволяет уменьшить объем бетона при благоприятном распределении напряжений в основании. Активные швы с плоскими домкратами просты и оправдали себя на практике [9].

Принципиально иным решением, учитывающим возможность раскрытия контактного шва в гравитационной плотине в случае малых расчетных значений оу, которые в действительности могут оказаться и растягивающими (особенно при обжатом профиле), является устройство короткого понура с цементационной завесой под ним, несколько вынесенной в ВБ за зону возможного возникновения растягивающих напряжений (см. рис. 7.1, г). При таком решении весьма ответственны уплотнения в шве между коротким понуром (или массивом над завесой) и телом плотины, ремонт которых затруднителен. Это решение можно считать необходимым, когда на верховой грани плотины допускаются растягивающие напряжения. Оно разрешается СНиП II-54—77 [103] лишь при наличии гидроизоляции верховой грани (см. рис. 7.1, г). Его следует рассматривать при неблагоприятном разномодульном основании, когда под низовой частью плотины оно имеет более низкий модуль деформации, чем под верховой.

Арочные плотины получили значительное распространение в горных районах во многих странах мира и хо

рошо зарекомендовали себя в эксплуатации [9]. Они обычно экономичны, хорошо вписываются в окружающий ландшафт, красивы, надежно работают в условиях высокой сейсмичности и при перегрузках. Так, плотина Пакои- ма высотой 116 м (Калифорния, США) без повреждений перенесла очень сильное землетрясение с максимальным горизонтальным ускорением 1,25g и вертикальным до 0,75g, а итальянская тонкая плотина Вайонт высотой 266 м и толщиной понизу 23 м уцелела, получив очень небольшие повреждения, когда через нее в 1963 г. перехлестнула волна высотой около 70 м, вызванная огромным оползнем в водохранилище, в которое за 5...7 мин обрушилось около 300 млн. м3 скальных пород.

Наиболее распространены арочные плотины с защемленными пятами (рис. 7.1, и), а также с периметральным (контурным) швом (рис. 7.1,с); нередко строят и плотины с устоями (рис. 7.1, м). Более сложные в строительстве плотины, расчлененные швами на отдельные арки (в том числе и из трехшарнирных поясов — рис. 7.1,л), работающие в основном как плоские системы, возводят лишь в единичных случаях при небольших высотах.

В последнее время получили распространение арочные плотины купольного типа, то есть со значительно искривленными вертикальными сечениями (так называемыми консолями). В таких плотинах обычно удается получить наиболее благоприятное распределение напряжений.

Арочно-гравитационные плотины применяют в настоящее время преимущественно при больших напорах, в достаточно широких створах и при расположении в теле плотины водопропускных отверстий — водосбросов, трубопроводов гидростанции (плотины Саяно-Шушенская, Глен Каньон).

Бетонные и железобетонные плотины, как правило, строят из монолитного бетона. Лишь в единичных случаях и при сравнительно небольших высотах такие плотины выполняли полностью из сборных элементов (многоарочная плотина Мефруш в Алжире высотой 25 м, экспериментальная ячеистая плотина на р. Степной Зай в СССР и некоторые другие). Это в основном связано с тем, что такие плотины не являются массовыми типовыми сооружениями и сборные нетиповые конструкции в большинстве случаев неэффективны даже при малых и умеренных высотах сооружений.

При небольших напорах (5...7 м) в ряде случаев были применены сборномонолитные ячеистые конструкции, состоящие из блоков в виде спаренных железобетонных плит, омоноличи- ваемых бетоном (рис. 7.2,6). Четыре плотины такого типа построены по проектам Гипросельэлектро (Красноярская на р. Медведица, Перевозская, Лыковская и Шильская) [5, 13]. Плотина подобного типа сооружена в Ираке (проект Союзгипроводхоза).

Отдельные сборные элементы, облегчающие производство работ (пазовые конструкции, парапеты, плиты железобетонной постоянной опалубки контрфорсных плотин, постоянная железобетонная опалубка смотровых галерей и др.), используют при строительстве бетонных и железобетонных плотин.

Гравитационные, контрфорсные и арочные плотины можно выполнять не только из бетона, но и из каменной кладки на растворе [9, 24, 81]. В настоящее время плотины из каменной кладки практически вытеснены бетонными, имеющими существенные производственные преимущества (возможность широкой механизации, высокие темпы работ и др.). Лишь в Индии иногда еще строят гравитационные плотины из каменной кладки. В 1969 г. там было закончено строительство каменной плотины Нагарджанасагар высотой 124,7 м — самой высокой в мире плотины такого типа [24].

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики