Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

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 %.

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