Основные внешние силы, действующие на плотину
1. Собственный вес частей бетонной плотины определяют, исходя из их геометрической формы и удельного веса бетона. В первом приближении удельный вес бетона принимают равным 23...24 кН/м3.2. Гидростатическое давление воды на плотину (и на ее части) вычисляют по обычным формулам гидравлики. При этом удельный вес чистой воды принимают равным 10 кН/м3; если же вода имеет много взвеси (представляет собой гидросмесь), то значение ее удельного веса повышают, например, до 11 кН/м3.
3. Давление ветровой волны на плотину определяют, как указано в официальных нормах, в зависимости от высоты волны ( устанавливаемой согласно этим же нормам), а также других факторов. Приведем упрощенный прием определения такого давления на вертикальную стену (или стену, близкую к вертикальной) при наличии глубокой воды.
В случае глубокой воды глубину h в водоеме считают больше половины длины волны; длину же волны для водохранилищ при нимают равной Я=(10...15) hB, т. е. считают, что при наличии глубокой воды (5...8) hs. Согласно упомянутому упрощенному приему эпюра волнового давления, т. е. давления сверх гидроста тического (действующего на стенку АВ; рис. 7.4), имеет вид треугольника abc, который легко построить, зная высоту волны (см. размеры этого треугольника, показанные на рисунке); это дав ление принимают горизонтальным; горизонтальные ординаты данной эпюры надлежит умножать на удельный вес воды ув. Как видно, волновое давление много меньше гидростатического и при расчете плотины во многих случаях им можно пренебрегать.
4. Давление льда, действующее на гидротехническое сооружение, может быть статическим и динамическим. В случае глухих плотин имеют в виду обычно статическое давление. Такое давление получают благодаря расширению ледяного поля, вызванному поднятием его температуры в результате потепления воздуха, солнечной радиации (рис. 7.5). Сила Рл горизонтальна и приложена примерно на уровне воды, при котором образовался ледяной покров.
Значение силы Рл зависит от многих факторов, в частности: а) от толщины б ледяного покрова; б) от пологости и податливости берегов; при пологих и податливых берегах расширение ледяного поля (при поднятии температуры) происходит за счет перемещения льда в сторону берега, причем давление на плотину уменьшается; в) от скорости, с которой повышается температура; при медленном повышении температуры в толще льда успевают произойти пластические деформации и давление на плотину уменьшается; г) от них условий района ориентировочно рекомендовали назначать рав ным Рл = 150...200 кН на 1 м2 сечения ледяного поля. Для особенно суровых зимних условий (например, для Якутии) рекомендовали Рл = 300 кН/м2. Толщину льда б устанавливают на основании гидрологических данных. В настоящее время для определения воздействия льда на гидротехнические сооружения необходимо пользоваться специальными нормами.
Иногда, чтобы при расчете не учитывать статического давления льда, намечают те или другие меры по борьбе с этим давлением (осуществляемые в процессе эксплуатации сооружения). К числу таких мер относятся: а) устройство проруби; б) прокладка по дну вдоль плотины трубы, по которой подается воздух, выпускаемый в воду через отверстия, сделанные в стенках трубы; пузырьки воздуха, всплывая, обусловливают движение воды пз придонных «теплых» ее слоев к верху (вдоль грани плотины); в результате вдоль уреза у плотины образуется полынья.
5. Давление наносов, отложившихся перед плотиной. Если наносы достаточно крупные, то они образуют отложения перед плотиной в виде грунта, насыщенного водой. В этом случае расчет давления наносов на плотину следует вести по обычным формулам, используемым, например, для расчета давления грунта на подпорные стены; при таком расчете грунт (отложившиеся наносы) должен рассматриваться как взвешенный в воде с удельным весом
На рис. 7.6 показаны наклонная грань АВ плотины и слой отложившихся наносов толщиной йн. Горизонтальные и вертикальные составляющие давления на стенку АВ отложившихся наносов (а также воды) будут представлять эпюры:
а) горизонтальная составляющая давления наносов — треугольник со стороной равной уголу внутреннего трения наносов; а — угол наклона грани АВ к горизонту.
б) горизонтальная составляющая давления воды (с удельным весом ув) — треугольник гидростатического давления
в) вертикальная составляющая давления наносов — треугольник аВс со стороной сВ, равной (касательными напряжениями вдоль аВ пренебрегаем); г) вертикальная составляющая давления воды — треугольник гидростатического давления АВС.
Когда перед плотиной отлагаются мелкие наносы, то они долго не могут уплотниться и представляют собой (совместно с водой, заключенной между твердыми частицами) как бы тяжелую жидкость (рис. 7.7, а). Поскольку между твердыми частицами имеются прослойки воды, то угол внутреннего трения принимают, как для воды, ф = 0. Удельный вес тяжелой жидкости может быть принят ун=14..15кН/м3 и более (до ун = 20 кН/м3). Вес твердых частиц (падающих, опускающихся в воде) здесь передается на воду в виде соответствующих реакций сил гидравлического воздействия (см. § 2.3). Расчетная схема давления воды и тяжелой жидкости на стену АВ показана на рис. 7.7, б; приведенные на рисунке эпюры давления строят по правилам гидростатики.
6. Сейсмические силы. При колебании земной коры приходят в движение как само сооружение, так и вода и грунт, прилегающие к нему. Это движение переменно во времени, в связи с чем сооружение, вода и грунт получают ускорения, которые обусловливают возникновение сил инерции (пропорциональных массе соответствующего тела и направленных в сторону, противоположную ускорению). Эти силы инерции, приложенные к сооружению, воде и грунту, изменяют свое значение и направление во времени.
Сейсмические силы инерции сооружения. Согласно так называемой статической теории динамическую (переменную во времени) силу инерции сооружения заменяют статической силой (см. § 7.3). При этом условно считают, что такая статическая сила направлена горизонтально в наиболее невыгодную (для прочности и устойчивости сооружения) сторону и линия ее действия проходит через центр тяжести сооружения (если сейсмическое ускорение по высоте сооружения принимают одинаковым; см. силу Рс на рис. 7.8).
Силу Рс определяют по приближенной формуле
При расчетной сейсмичности 6 баллов и менее сейсмическими силами пренебрегают.
Сейсмическое давление воды на сооружение. Благодаря упомянутым выше силам инерции давление воды на плотину увеличива ется: дополнительно к треугольникам 2 и 3 горизонтального и вертикального гидростатического давления, действующего на наклонную грань АВ плотины, мы получаем еще параболическую эпюру 4 сейсмического давления (рис. 7.9). Эпюра 3 может быть заменена
Рис. 7.9. Сейсмическое давление воды на стену: 1, 5 — эпюры горизонтальной и вертикальной составляющей сейсмического давления; 2, 3 — эпюры гидростатического давления; 4 — эпюра дополнительного сейсмического давления (условно показана в увеличенном виде).
Если периоды сейсма и периоды собственных колебаний конструкции совпадают, то возникает явление резонанса и конструкция разрушается.