устойчивость арочных плотин обеспечивается за счет
Устойчивость арочных плотин обеспечивается за счет
Коэффициент стройности арочной плотины определяется обычно по размерам арочной части плотины, исключая местные утолщения, например, в виде «пробки», которая иногда устраивается в нижней части плотины.
По форме различают: арочные плотины с одной кривизной, поверхность которых имеет кривизну только в горизонтальном направлении (цилиндрические) с двоякой кривизной; при значительном искривлении профиля по высоте плотины называются купольными.
По характеру сопряжения с основанием различают следующие типы арочных плотин: с упругой заделкой пят; с контурным (периметральным) швом (см. рис. 12.13, г; см. также рис. 12.4, 12.7, 12.10); со швами, или швами-надрезами, устраиваемыми в нижней части опирания сооружения (см. рис. 12.13, в).
По способу пропуска воды арочные плотины бывают: глухие, не имеющие устройств для сброса воды; водосбросные, с поверхностными или глубинными отверстиями.
По материалу арочные плотины могут быть: каменные, бетонные, железобетонные.
Как правило, арочные плотины строятся бетонными, железобетонные арочные плотины строятся редко, каменные в настоящее время не строятся.
Существуют и другие менее характерные признаки арочных плотин, по которым может быть произведена классификация, например различают арочные плотины в узких или широких (
> 3-3,5) створах, в симметричных или несимметричных ущельях
и т. д. Наиболее экономичные арочные плотины могут быть построены лишь в благоприятных для их осуществления геологических и топографических условиях.
Геологические условия должны обеспечить возможность передачи значительных усилий от плотины на берега долины, при высоком уровне сжимающих напряжений в плотине, достигающих в современных плотинах до 10-12 МПа (100-М20 кГ/см 2 ).
В естественных условиях, однако, в скальных массивах часто; встречаются инженерно-геологические дефекты в виде крупных нарушений сплошности (сбросов, разломов, ослабленных прослоек), мелкой трещиноватости и систем: напластования с ослабленными породами. Особенно неблагоприятны указанные нарушения в случае их простирания по направлению возможного сдвига берегового массива (в сторону нижнего бьефа).
При строительстве арочных плотин в таких неблагоприятных условиях приходится выполнять сложные мероприятия по укреплению скального основания (площадную цементацию основания, расчистку и заделку бетоном трещин и т. д.).
Топографические условия створа существенно влияют на экономичность профиля арочных плотин. Определяющее значение при этом имеет относительная ширина долины или коэффициент створа п = 
, где L— длина арочной плотины по гребню. В узких створах при небольших пролетах перекрываемой долины арки плотины могут
Устойчивость арочных плотин обеспечивается за счет
Главное меню
Строительные работы
Расчет устойчивости береговых примыканий арочных плотин
Для обеспечения надежной работы арочных плотин помимо прочности ее конструкции должно быть выполнено условие устойчивости ее береговых примыканий. Арочные плотины, опираясь на берега долины, передают на них значительные усилия. При недостаточно надежной врезке сооружения в берега под действием указанных усилий может произойти скол берегового скального массива или сдвиг его по ослабленным плоскостям в сторону нижнего бьефа.
Расчет устойчивости береговых примыканий арочных плотин производится на основе рассмотрения предельного состояния выделенных из скального массива расчетных блоков.
При назначении формы и размеров расчетных блоков необходимо руководствоваться физически возможными положениями поверхностей сдвига, исходя из геологических, топографических и статических условий.
При этом учитывается наличие геологических дефектов скального основания (крупных тектонических нарушений или трещин), очертание берегового массива (например, наличие резкого расширения ущелья в плане с низовой стороны ; плотины), величины и направления действующих усилий и т. д. В проектной практике применяют метод расчета продольного сдвига береговых массивов по плоским поверхностям. В этом методе рассматривается сдвиг расчетного берегового блока (рис. 12.18),
ограниченного двумя плоскостями сдвига и одной плоскостью отрыва по направлению линии пересечения плоскостей сдвига (линии сдвига).
Кроме того, в составе нагрузок учитывают также сейсмические силы, как передаваемые от сооружения, так и непосредственно воздействующие на выделенный упорный блок.
При расчете все действующие силы приводятся к главному вектору R, который раскладывается на нормальные силы 
и 
(по нормалям к плоскостям сдвига) и сдвигающую силу Т (по направлению линии сдвига).
Коэффициент запаса устойчивости против сдвига (вдоль линии сдвига) определяется по формуле
(12.6)
Недостатком существующих методов устойчивости береговых примыканий арочных плотин является то, что они рассматривают устойчивость берегового упора отдельно от арочной плотины, которая заменяется в этом случае нагрузками, передаваемыми от плотины в эксплуатационный период. В этом случае не учитывается сопротивление арочной плотины при виртуальном перемещении расчетного блока в предельном состоянии и изменение величины самих нагрузок, передаваемых от плотины, при указанных перемещениях.
Более перспективным в оценке прочности береговых примыканий является направление, основанное на анализе напряженного состояния единого комплекса «арочная плотина+основание». Указанное направление в настоящее время получает развитие в связи с возможностью решения сложных пространственных задач по определению напряженного состояния методом конечных элементов с применением ЭВМ.
Устойчивость арочных плотин обеспечивается за счет
Арочними плотинами называют криволинейнне в плане водоподпорные сооружения, работающие как свод или оболочка и сопротивляющиеся действию горизонтальних нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья (рис. 12.1).
Горизонтальные сечения арочных плотин (арки) имеют обычно круговое очертание с нормальным опиранием пят арок в берега (рис. 12.2,а). Поперечные профили арочных плотин (консоли) весьма различны по форме и в ряде случаев назначаются криволинейными по вертикали (рис. 12.2,б).
Таким образом толщина арочных плотин (и, следовательно, объем бетона на 1 м) меньше, чем в гравитационных плотинах, в п иногда в 6-8 и более раз.
Общая экономия бетона по всей плотине вследствие криволинейности арочных плотин в плане характеризуется несколько меньшими величинами
и для современных арочных плотин составляет величину 35-65%.
Для весьма стройных арочных плотин экономия бетона может достигать и больших величин. Так, в арочной плотине Гаж (Франция), имеющей Н = 38 м, 
=1,8 м и 
= 0,047, объем бетона составил 18% по сравнению с гравитационным вариантом.
При определении экономичности арочных плотин следует учитывать, что к бетону арочных плотин предъявляются более высокие требования, и, следовательно, его стоимость выше, чем в гравитационных плотинах, однако удорожание 1 м 3 бетона при этом обычно не превосходит 10-15%.
Высокая экономичность арочных плотин при одновременной их надежности объясняет их широкое распространение. В настоящее время построено более 300 арочных плотин высотой свыше 30 м.
Первая арочная плотина Понте Альто, построенная в 1611 г. в Италии, была каменной (на растворе) с радиусом 15 м и высотой 5 м. В дальнейшем ее несколько раз достраивали и в 1883 г. ее высота составила 38 м.
В XIX в. небольшие плотины строились в Европе и США, но наибольшего развития строительство этих плотин достигло в XX в.
В Советском Союзе в 1937 г. построена первая арочно-гравитационная Гергебильская плотина высотой 57,5 м, а в 1960 г. закончено строительство Ладжанурской арочной плотины высотой около 67 м (рис: 12.3). В настоящее время проектируются и строятся ряд крупных гидроузлов с арочными плотинами от 100 до 300 м, к ним относятся Ингурская (рис. 12.4), Саяно-Шушенская (рис. 12.5), Чиркейская (рис. 12.6) и др.
rushydro
rushydroRushydro rocks
Из всех плотин самое большое впечатление безусловно производят арочные. Кажется совершенно невероятным, как тонкая выгнутая бетонная стена держит миллиарды тонн воды, да еще при этом имеет огромный запас прочности. Ну и в конце концов, арочные плотины просто очень красивы.
Сяовань – высочайшая арочная плотина мира. Фото отсюда
Принцип действия арочных плотин принципиально отличается от всех других типов плотин. Если гравитационные и контрфорсные плотины давят на основание, то арочные переносят нагрузку на берега. Арочная плотина может быть даже специально отрезана от основания особым швом-разрезом (так иногда делают для разгрузки напряжений, возникающих в некоторых типах плотин).
Плотина Люмей со швом в основании
При этом, бетон в арочной плотине работает на сжатие, а в такой ситуации его прочность чрезвычайно велика. Соответственно, арочная плотина может быть удивительно тонкой – при высоте в сотню метров ее толщина может составлять всего 2-3 м.
В то же время, такие тонкие арочные плотины строят не всегда. В зависимости от конкретных условий, более эффективным может оказаться строительство более толстой или даже арочно-гравитационной плотины, устойчивость которой обеспечивается как упором в берега, так и собственным весом.
Главное преимущество бетонной плотины – значительная экономия бетона, достигающая 80% от количества бетона в гравитационной плотине. В то же время, арочные плотины предъявляют особые требования к берегам – к ширине долины, ее форме и качеству пород.
В широких долинах строительство арочных плотин неэффективно. Существует специальный коэффициент, отражающий отношение длины арочной плотины по гребню к ее высоте (L/H). Наиболее эффективно строительство арочных плотин в случае, если этот коэффициент не превышает 3,5, хотя известны случаи строительства арочных плотин и в относительно широких створах – так, для Саяно-Шушенской ГЭС L/H=4,56, для плотины Пьеве ди Кадоре в Италии L/H=7,45.
Плотина Пьеве ди Кадоре. Фото отсюда
Не любят арочные плотины и ассиметричных долин – в их арка нормально не работает. При необходимости, прибегают даже к строительству специальных врезок и подпорных стенок. Ну и наконец, породы, в которые упирается арочная плотина, должны быть весьма прочными. Соответственно, идеальное место для арочной плотины – горное ущелье, где собственно они в основном и строятся.
Схема плотины ГЭС Сяовань.
Устойчивость арочных плотин чрезвычайно велика. В модельных экспериментах они разрушались лишь при нагрузках, в 3-5 раз превышающих расчетные. Известен пример катастрофы на плотине Вайонт (очень высокой и очень тонкой), когда сошедший в водохранилище оползень вызвал перелив воды через плотину слоем не менее 70 м – плотина устояла и более того, почти не была повреждена.
В России арочных плотин немного – три чисто арочных (Чиркейская, Миатлинская и Гунибская) и две арочно-гравитационных (Саяно-Шушенская и Гергебильская). Существует проект Агвалинской ГЭС на р.Андийское Койсу с арочной плотиной высотой 210 м.
Высочайшей арочной плотиной мира является плотина китайской ГЭС Сяовань на р.Меконг высотой 292 м, введенная в эксплуатацию в 2010 году. До того, долгое время лидерство удерживала плотина Ингурской ГЭС в Грузии, ее высота 271,5 м. Много высотных арочных плотин строится в Китае – например, плотина ГЭС Силуоду высотой 278 м (кстати, мощность ГЭС тоже впечатляет – 13 860 МВт!). Там же строится и высочайшая арочная плотина мира – Жинпинь-1 высотой 305 м. Впрочем, и это не предел – существует красивый проект плотины Абу-Шенейла в Судане высотой 335 м!
Статья 15. Требования к обеспечению безопасности бетонных и железобетонных (гравитационных, контрфорсных, арочных) плотин
Статья 15. Требования к обеспечению безопасности бетонных и железобетонных (гравитационных, контрфорсных, арочных) плотин
1. Прочность и устойчивость бетонных и железобетонных плотин должна обеспечиваться прочностью и устойчивостью их отдельных секций или всей плотины в целом, если сооружение не разрезано на секции.
Конструкция плотин должна рассматриваться совместно с упругим основанием и учитывать последовательность возведения сооружения, омоноличивания швов и наполнения водохранилища.
2. Общая прочность плотин должна проверяться на влияние температурных воздействий строительного и эксплуатационного периодов.
3. Бетонные поверхности плотин всех классов, подверженные температурным воздействиям наружного воздуха в эксплуатационный период должны проверяться на образование трещин от температурных воздействий.
Проверке на образование трещин от температурных воздействий должны подвергаться все блоки бетонирования, уложенные на скальное или старое бетонное основание, а также поверхности блоков бетонирования, подверженные температурным воздействиям строительного периода. Проверка трещиностойкости бетонных конструкций должна производиться с использованием механики хрупкого разрушения.
5. Устойчивость гравитационных плотин на сдвиг должна рассматриваться как по контакту сооружения с основанием, так и по другим возможным расчетным поверхностям сдвига, полностью или частично проходящим ниже подошвы плотины и определяемым наличием в основании слабых прослоек, полого падающих трещин, зон размыва, льдистых распученных грунтов, контакта талых и мерзлых грунтов, размещением в нижнем бьефе плотины каких-либо сооружений.
Наряду с проверкой устойчивости на сдвиг, должна рассматриваться устойчивость по схеме предельного поворота с разрушением основания в зоне низовой грани плотины.
6. При непосредственном примыкании здания гидроэлектростанции к плотине со стороны нижнего бьефа проверка устойчивости плотины должна производиться с учетом их совместной работы на сдвиг. При определении сдвигающего усилия для здания станции должна учитываться конструкция его сопряжения с низовой гранью плотины.
7. На всех этапах строительства должна быть обеспечена прочность и устойчивость на сдвиг отдельных элементов плотины.
8. Вдоль верховой грани плотины должно предусматриваться устройство дренажа в виде вертикальных скважин (дрен), имеющих выход в продольные галереи.
Горизонтальные дрены площадью поперечного сечения 400-800 см2 должны располагаться по высоте плотины через 2-3 метра.
9. В основании плотины должно предусматриваться устройство дренажа в виде вертикальных или наклонных скважин или горизонтальных дренажных устройств.
10. При раздельном возведении быков, устоев и фундаментной плиты плотины на основании из песчаных грунтов реакция основания полностью возведенного сооружения должна учитывать контактные напряжения строительного периода под каждым элементом сооружения и напряжения от нагрузок на сооружение после его омоноличивания.
Проверка контактных напряжений оснований плотин из глинистых грунтов должна учитывать перераспределение напряжений во времени за счет ползучести грунтов и фильтрационной консолидации.
11. Секции плотин I и II классов на нескальных основаниях должны проверяться на общую прочность как пространственные конструкции совместно с упругим основанием с учетом перераспределения усилий вследствие трещинообразования.
При проверке прочности секций плотин III и IV классов должна рассматриваться их статическая работа раздельно в поперечном (вдоль потока) и в продольном (поперек потока) направлениях.
12. В случаях, когда проверка общей прочности плотины не учитывает особенности работы отдельных элементов и приложения к ним местных нагрузок, указанные элементы должны проверяться на местную прочность.
Плотина с анкерным понуром должна проектироваться таким образом, чтобы её устойчивость на сдвиг без учета усилий, воспринимаемого понуром, всегда была обеспечена.
14. Во всех случаях, когда основание плотины сложено фильтрующими слабоводоустойчивыми и быстрорастворимыми грунтами, должны предусматриваться специальные противофильтрационные мероприятия, предотвращающие суффозионные процессы или обеспечивающие снижение их до допустимых пределов.
Противофильтрационные устройства в основании плотины должны сопрягаться с аналогичными устройствами в берегах и в примыкающих к плотине других сооружениях гидроузла.
15. Напряжения в отдельных сечениях, обусловленные воздействием противодавления, должны приниматься пропорциональными гидростатическому давлению и коэффициенту эффективной площади противодавления в бетоне.
Коэффициенты эффективной площади противодавления для сооружений I и II классов следует определять на основании экспериментальных исследований с учётом противофильтрационных устройств.
При отсутствии данных экспериментальных исследований в сечениях изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементов допускается принимать следующие значения коэффициента эффективной площади противодавления:
16. При проектировании контрфорсных плотин должна обеспечиваться общая прочность:
контрфорсов при их работе вдоль и поперек потока;
При проверке общей прочности контрфорсов в плоскости вдоль потока должны учитываться:
17. При проверке прочности контрфорсов в направлении поперек потока должны соблюдаться условия:
при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий, кроме сейсмических, напряжения во всех точках контрфорса не должны быть растягивающими;
при особом сочетании нагрузок и воздействий, включающее сейсмические на уровне проектного землетрясения, глубина зоны действия растягивающих напряжений у боковой грани контрфорса не должна превышать 20% от его толщины.
При проверке контрфорсов на изгиб поперек потока должна учитываться конструкция водосбросных устройств и других элементов, повышающих жесткость сооружения в этом направлении.
19. При проектировании контрфорсных плотин должны быть предусмотрены мероприятия по безопасной эксплуатации плотин в зимний период.
20. При обосновании общей прочности и устойчивости арочных и арочно-гравитационных плотин должен учитываться пространственный характер их работы, возможные раскрытие шва или разуплотнение скальных пород на контакте плотины с основанием со стороны верхнего бьефа, а также раскрытие строительных швов и трещин в теле плотины.
21. При учете раскрытия строительных швов и трещин в теле арочных и арочно-гравитационных плотин оценка прочности сооружения должна производиться по прочности бетона сжатой зоны.
Оценка прочности должна выполняться с учетом повышения расчетного сопротивления бетона при всестороннем сжатии.
22. Для арочных и арочно-гравитационных плотин должна выполняться проверка устойчивости береговых скальных упоров с учетом их напряженно-деформированного состояния при совместной работе с плотиной.
Для плотин в створах, ширина которых превышает три высоты плотины, должна выполняться проверка общей устойчивости плотины совместно со скальным основанием. Во всех случаях должна обеспечиваться местная прочность (устойчивость) в основании плотины.
23. Проверка общей устойчивости арочных и арочно-гравитационных плотин должна производиться исходя из наиболее вероятной кинематической схемы перемещения плотины совместно с основанием в предельном состоянии.
Кинематическая схема потери устойчивости арочной плотины должна быть такой, чтобы в процессе виртуального перемещения плотин не происходило увеличения силы сопротивления сдвигу.
Откройте актуальную версию документа прямо сейчас или получите полный доступ к системе ГАРАНТ на 3 дня бесплатно!
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.