11.5. Тело водосливной плотины

Водосливные плотины могут быть неразрезной или разрезной конструкции с устройством соответственно температурно-осадочных швов посередине быков плотины (рис. 11.16, а, в) или между водо­сливами и быками или устоями (рис. 11.16, б). Первый из этих типов плотин применяют на слабых глинистых и песчаных грунтах, когда при значительных и неравномерных осадках быков, устоев и водосливов можно ожидать заклинивания затворов, и второй тип — на грунтах более плотных, когда влияние осадки сказывается мень­ше, а также на скальных грунтах. В зависимости от неоднородности грунтов основания и наличия под отдельными секциями плотин линз со слабыми грунтами разрезку по быкам иногда делают че­рез два или три пролета с расстоянием между швами 40 ...50 м и более. В этом случае для исключения значительных температурных напряжений в теле плотины (у быков) устраивают швы-надрезы

Рис. 11.16. Схемы разрезки плотин:

а, в — неразрезные конструкции, б — разрезная конструкция;

/ — полубыки, 2 — температурно осадочный шов, 3 — затвор; 4 —

бык; 5 — водослив, 6 — температурный шов; 7 — фундаментная

Плита; 8—порог водослива

(рис. 11.16, в), которые доводят лишь до фундаментных плит. Ширину температурно-осадочных швов принимают выше фунда­ментной плиты — не менее 4 ... 5 см, а в пределах фундаментной плиты — 1 ... 2 см.

В каждом поперечном шве устраивают внутреннее и внешнее контурное уплотнение, а также дренаж. Основное уплотняющее устройство, выполняемое в виде металлических, резиновых или пластмассовых диафрагм, асфальтовых шпонок и т. п., обеспечива­ет водонепроницаемость шва. Устанавливают его обычно на рас­стоянии 1,5 ...2,0 м от напорной грани (рис. 11.17, а, б).

Контурное наружное уплотнение предназначено для защиты швов от воздействия льда, волн и загрязнения, а также в целях сни­жения их водопроницаемости. Оно представляет собой бетонные,

347

железобетонные, стальные брусья, плиты-пробки, укла­дываемые на подготовку из асфальтовых мастик (рис. 11,17, в) При расположе­нии плотин на нескальных грунтах в швах кроме верти­кального производят еще и горизонтальное их уплотне­ние у основания плотин или несколько выше. Одна из конструкций такого уплот­нения приведена на рис. 11,17, д.

Рис. 11.17. Типы уплотнений конструктив ных швов гравитационных плотин

а, б — внутреннее уплотнение швов, в — контур ное уплотнение швов, г — схема оформления кон структивного шва д — горизонтальное уплотнение шва у подошвы плотины. 1 — металлический лист, 2 — асфальтовая мастика, 3 — железобетонный брус, 4 — асфальтовая гидроизоляционная про кладка, 5 — контурное наружное уплотнение, 6 — смотровая шахта, / — внутреннее уплотнение, 8 — скважины подпитки, 9— арматура анкеры, 10 — стальной лист толщиной 4 мм, II — битумные маты, 12 — железобетонный блок

Дрены (см. рис. 11.3) бывают круглыми (диамет­ром 15 . 20 см) или квадрат­ными (20X20 см). Иногда в качестве дрен используют смотровые шахты, имеющие размер 80X80 см и более Расчеты плотин ведут по методу предельных состоя­ний; по первой группе (по непригодности к эксплуата­ции) рассчитывают соору­жения на общую прочность и устойчивость, а также на местную прочность их эле­ментов; по второй группе (по непригодности к нор мальной эксплуатации) рас­считывают основания на местную и фильтрационную прочность, а сооружения — по образованию трещин и

деформациям, а также расчеты по раскрытию строительных швов

в бетонных и трещин в железобетонных конструкциях

При расчетах общей прочности и устойчивости плотин, а также

местной прочности отдельных их элементов должно соблюдаться

одно из следующих условий:

(11.30)

(11.31)

где yji, yic и yc<j — коэффициенты соответственно надежности, со­четаний нагрузок и условий работы, определяемые по данным, приведенным в СНиП П-50—74 и 206.06—85; F, R — соответствен-

348

но расчетные значения обобщенного силового воздействия и обоб­щенной несущей способности сооружения; Gd — расчетное значение напряжения; Ф — функция, вид которой определяется в зависимо­сти от характера напряженно-деформированного состояния плоти­ны по СНиП 11-50—74, R_s и R_c— соответственно расчетные сопро­тивления арматуры и бетона, определяемые в соответствии со СНиП Н-56—77

Из приведенных зависимостей следует, что в любых случаях в работе плотин не допускается наступления предельных состояний, чю оценивается путем сопоставления усилий, напряжений с их пре­дельными значениями, установленными в соответствующих норма­тивных документах.

По СНиП 20606—85 расчеты плотин III и IV классов, к которым относятся рассматриваемые низконапорные водосливные плотины, выполняют упрощенными методами. В неразрезной кон­струкции расчеты производят для всего массива (секции плотины), отделенного температурно-осадочными швами от остальной части плотины; в разрезной конструкции водослив, быки и устои рас­сматривают раздельно.

Расчеты плотин, их оснований и отдельных элементов на проч­ность и устойчивость производят для наиболее вероятных расчет­ных случаев в строительный и эксплуатационный периоды на дей ствие расчетных нагрузок Последние устанавливают в соответ­ствии с действующими нормативными документами [13]. Так, проверку условий работы плотины в эксплуатационный период про изводят для двух случаев: нормального эксплуатационного — при нормальном подпорном уровне в верхнем бьефе и минимальном расчетном уровне в нижнем бьефе, паводкового эксплуатационно­го— при пропуске через сооружение максимального расчетного расхода воды В первом случае имеет место наибольшее значение действующей на плотину сдвигающей силы, а во втором — мак­симальное снижение веса плотины в результате наибольшего по значению взвешивающего давления [16] При расчете нормальных напряжений в горизонтальных сечениях плотины на скальных грун­тах на профиле плотины намечают ряд равномерно распо­ложенных по ее высоте, но приуроченных к характерным местам сечений, где нормальные напряжения (кПа) определяют по фор­муле внецентренного сжатия:

(11.32)

где 2V — суммарная вертикальная сила на 1 м длины плотины, действующая выше рассматриваемого сечения, кН; b — ширина плотины в рассматриваемом сечении, м; 2AI — суммарный момент на 1 м длины плотины, определенный относительно центра тяжести сечения, кН-м.

349

Рис. 11.18. Схема к расчету нормальных напряжений в сечениях пло­тины на скальном основании

Так, для сечения /—/ (рис. 11.18) суммарная вертикальная сила будет равна 2V= W_Q-}-G\, а суммарный момент

(11.33)

Отсюда напряжения (кПа) будут равны: на напорной грани

на низовой грани

(11.34)

(11.35)

где gi, W₀ и W\ — вертикальные и горизонтальные (рис. 11.18) си­лы, действующие в сечении; г₀, г\ и g\ — плечи этих сил относитель­но центра тяжести сечения, м. Аналогично вычисляют напряжения в остальных сечениях.

Скалывающие (касательные) напряжения на гранях плотины т (Па) определяют по формулам:

на напорной грани

(11.36

350

на низовой грани

(11.37)

где а\ и ct2 — углы наклона граней плотины к горизонтали. Главные нормальные напряжения вычисляют по формулам: на напорной грани

(11.38)

на низовои грани.

(11.39)

где л₂ и п₂ —главные напряжения, действующие нормально к площадкам, перпендикулярным соответственно напорной и низо­вой граням; п\ и п\" — то же, действующие нормально соответст­венно напорной и низовой граням.

Главные скалывающие напряжения равны полуразности главных нормальных напряжений

(11.40)

Площадки их действия наклонены к площадкам главных нор­мальных напряжений под углом 45°.

По формуле (11.32) могут быть определены и контактные на­пряжения по подошве плотины (a*/₀d и o^b/_0Јj на рис. 11.18), при этом учитывают фильтрационное и взвешивающее давление воды на по­дошву плотины.

При определении напряжений в сечениях плотины, расположен­ных ниже уровня воды в нижнем бьефе, необходимо учитывать и силы, действующие со стороны нижнего бьефа (W$, Wg и т. д.).

После определения напряжений в теле плотины проверяют ее прочность по первому предельному состоянию (11.31). Максималь­ные нормальные напряжения обычно имеют место в эксплуатаци­онном случае на низовой грани у подошвы плотины п\" [ва в фор­муле (11.31)]. В качестве предельных напряжений при расчете пло­тины в условиях плоской задачи принимают расчетное сопротив­ление бетона осевому сжатию R_np-

При проектировании профиля плотины не допускается растя­гивающих напряжений на напорной грани, т. е. точка приложе­ния равнодействующей всех сил должна располагаться в средней трети (ядре) сечения плотины. Отсутствие растягивающих нор­мальных напряжений на напорной грани плотины а/ не гаранти­рует от появления растягивающих главных напряжений п', которые по абсолютному значению могут быть больше ст/, поэтому для пло­тин с ai = 90° необходимо, чтобы на напорной грани были сжимаю­щие напряжения, равные четверти гидростатического давления на глубине di: a'_y=0,25pgd,.

351

Усилие от давления льда на плотину прикладывается на уров­не сработки верхнего бьефа плотины к концу зимнего периода и определяется согласно СНиП 2.06.04—82 [13].

Рис. 11.19. Схема к определению рас­четной высоты бы­ков при расчете общей прочности плотины

Бетонные плотины на нескальных основаниях, как было отмече­но выше, возводят из отдельных секций, состоящих в общем слу­чае из фундаментных плит, водосливов, быков и полубыков (см. рис. 11.16). В расчетном отношении такие секции плотин пред­ставляют пространственные системы, точный расчет которых затруднителен. Поэтому, со­гласно СНиП 2.06.06—85, расчет этих сек­ций плотин, относящихся к III и IV классам, допускается производить раздельно в попе­речном (вдоль потока) и продольном (попе­рек потока) направлениях. Расчет общей прочности плотины в поперечном направлении производят как расчет ребристой конструк­ции, ребрами жесткости в которой являются быки или полубыки. При большой высоте их в расчет вводят не действительную, а расчет­ную высоту быков (полубыков), ограничен­ную наклонными плоскостями, проходящими под углом 45° к горизонтали через крайние

точки сопряжений быков с фундаментной плитой (рис. 11.19). Ана­логично ограничивают и высоту расчетного сечения водослива. Расчет на общую прочность секций плотины в продольном на­правлении производят как расчет балки на упругом основании. Указания по этим расчетам изложены в специальной литературе [2, 16] и здесь не приводятся.

При определении нормальных контактных напряжений в угло­вых точках фундаментной плиты плотин (кПа) в общем случае ис­пользуют формулу внецентренного сжатия в виде

(11.41)

где ЕУ — сумма нормальных сил, действующих в основании сек­ции, кН; А — площадь подошвы секции плотины, м²; М_х и М_у — изгибающие моменты соответственно относительно продольной (перпендикулярно потоку) оси х и поперечной (параллельно пото­ку) оси у плотины, кН-м; W_x и W_y — моменты сопротивления по­дошвы плотины соответственно относительно осей х и у, м³.

При симметричных относительно оси у сечениях плотины и на­грузках на нее отношение M_y/W_v не учитывают.

С целью уменьшения опасности выпирания грунта, а также не­равномерности осадки сооружения отношение максимального на­пряжения ПО ПОДОШВе СООруЖеНИЯ К МИНИМаЛЬНОМу (a_maxMnin) Д^ЛЯ

глинистых грунтов не должно превышать 1,5... 2,0, а для песча-352

ных — 3,0. Для выравни­вания давления на глини­стый грунт следует проек­тировать распластанные профили плотин.

Рис. 11.20. Схемы к расчету устойчивости плотины:

а — на плоский сдвиг; б—по схеме смешанного сдвига; /-/ и 2-2 — расчетные поверхности при плоском сдвиге с разным очертанием подземною контура плотины; 1 — зона активного напряжен­ного состояния; // — зона радиальных сдвигов; /// — зона пассивного напряженного состояния; IV — область выпора

Расчет устойчивости плотин на сдвиг. Потеря устойчивости сооружения на сдвиг, согласно СНиП П-16—76, может происходить по схемам плоского, смешанного и глубинного сдвигов (рис. 11.20). В первом случае сдвиг происходит по пло­скости подошвы сооруже­ния без захвата грунта основания. По второй схе­ме сопротивление основа­ния складывается из со­противления плоскому сдвигу на части подошвы и сопротивления сдвигу с захватом грунта на остальной ее части. В по­следнем случае сооруже­ние теряет устойчивость вследствие выпора грун­та (глубинный сдвиг). Указанные схемы сдвига могут быть как при по­ступательной форме сдви­га, так и с поворотом плотины в плане, что учи­тывается в том случае, если расчетная сдвигаю-

щая нагрузка Nd приложена с эксцентриситетом относительно центра тяжести сооружения елг^0,05 V lb; где / и Ъ — размеры

сторон прямоугольной подошвы плотины.

Расчет устойчивости плотины только по схеме плоского сдвига

производят при расположении ее на основании, сложенном песча­ными, крупнообломочными, твердыми и полутвердыми глинисты­ми грунтами, и при выполнении условия

(11.42)

и при глинистых грунтах любой консистенции и соблюдении еще

(11.43)

353

(11.44)

где amax — максимальное нормальное напряжение в угловой точке подошвы сооружения; b — размер подошвы сооружения в направ­лении, параллельном сдвигающей силе; pi, tpi и с\ — соответственно расчетные значения плотности, угла внутреннего трения и сцепле­ния грунтов основания; В — безразмерный критерий, принимаемый равным 3 для всех грунтов оснований, кроме плотных песков, для которых В=\; Omt — среднее нормальное напряжение по подошве сооружения; C_v — коэффициент степени консолидации; k_f не — со­ответственно коэффициенты фильтрации и пористости грунта; /о — длительность возведения сооружения; а — коэффициент уплотне­ния, р,„ — плотность воды; ho — условная толщина консолидируе­мого слоя, для однородных оснований равная примерно b; tg\|) — расчетное значение коэффициента сдвига

Проверку устойчивости основания по схеме смешанного сдвига производят для сооружений на однородных основаниях во всех случаях, когда не соблюдается условие (1142) Глубинный сдвиг возможен, если сооружение расположено на однородном или неод­нородном основании и несет только вертикальную нагрузку, а так­же если оно расположено на однородном основании, несет горизон­тальную и вертикальную нагрузку и условие (11.42) не соблюдается.

П Ф Евдокимов показывает, что при наличии плоской горизон­тальной подошвы и однородного нескального грунта сдвиг соору­жения всегда происходит по горизонтальной поверхности основа­ния Для низконапорных плотин расчет устойчивости на плоский сдвиг гарантирует нормальную работу Поэтому ниже приводится лишь метод проверки устойчивости плотины по схеме плоского сдвига

Расчеты устойчивости плотин по схемам смешанного и глубин­ного сдвигов (метод ВНИИГ и метод круглоцилиндрических поверх­ностей скольжения *) приводятся в специальной литературе [16]

При расчете устойчивости плотины по несущей способности ос­нования в соответствии с условием (11.42) при поступательной форме плоского сдвига на нескальных грунтах коэффициент на­дежности Yn определяют по формуле

(11.45)

где Ra и Л/<;— расчетные значения соответственно предельного со­противления при плоском сдвиге и сдвигающей силы; "ZP_d — сумма вертикальных расчетных нагрузок, действующих сверху вниз; 2W — равнодействующая фильтрационного Wf_ti и взвешивающего

* Основные положения расчета по методу круглоцилиндрических поверхно­стей скольжения применительно к откосам земляных плотин приведены в гл 10 Аналогично производится и проверка устойчивости водосливных плотин.

354

Wwei давлений, действующих по нормали к расчетной поверхности скольжения; Е_р и Е_а — горизонтальные составляющие соответствен­но пассивного давления грунта на низовую грань сооружения и ак­тивного давления на его верховую грань; ср и с — соответственно угол внутреннего трения грунта и удельное сцепление по поверхности скольжения; А — горизонтальная проекция площади подошвы со­оружения, в пределах которой учитывается сцепление; т и т\ — коэффициенты условий работы, учитывающие соответственно ха­рактер сцепления по поверхности скольжения и изменение пассив­ного давления грунта на низовую грань сооружения при его гори­зонтальном перемещении, которые определяют опытным путем или, когда такие данные отсутствуют, принимают равным 0,7; 27/,_s и ~LT_hl — суммы горизонтальных составляющих внешних сил, дейст­вующих на верховую и низовую грани сооружения, за исключени­ем активного давления грунта; yi_c — коэффициент сочетания на­грузок.

Получаемая по расчету величина ^п не должна быть менее ус­тановленных для соответствующих классов сооружений ее значе­ний.

Рис 11.21 Схема к расчету устойчивости плотины на нескальном основании

на плоский сдвиг

355

Применительно к плотине неразрезной конструкции, показан­ной на рис. 11.21, 2Pd = Gi + GjH-G3+G4+Gp+Wi + W₂; 2Г= = W'_fll+W"_fli+W^/_V№l + W"_wei; Sr_ft, = Vi + ^,; 2T_hl = V₂. Если вес те­ла вычислять с учетом взвешивания, то W'_wet и W"_wei в расчет не вводят. При неразрезной конструкции плотины все силы вычисля­ют для всей секции длиной L в целом. Так, в полный вес плотины

ZPd входят вес водосливной ее части G\, вес двух полубыков G_P; G₂ —вес затвора длиной /, G₃ — вес грунта, расположенного меж­ду зубьями водобоя (с учетом взвешивания, если эпюру W_vct в рас­чет не вводят), G₄ — вес плиты водобоя, W\ и W% — соответственно пригрузки водослива и водобоя водой, l/i = 0,5 gp_uH\²L — давление воды на секцию плотины со стороны верхнего бьефа, V₂ = = 0,5gf)_wH₂²L —то же, со стороны нижнего бьефа, W,—давление льда на быки плотин ^х

При проверке устойчивости плотины на плоский сдвиг актив ным и пассивным давлением грунта на грани водослива и водобоя, а также боковым фильтрационным давлением в ряде случаев пре­небрегают, считая, чго они примерно уравновешиваются Не учи тывают боковое фильтрационное давление на шпунты, так как они не должны участвовать в обеспечении устойчивости плотины на сдвиг Для этого их заделывают в ниши, заливаемые битумом (см рис 11 8) При наличии шва между водосливом и водобоем влия­ние последнего на устойчивость плотины, как правило, во внимание не принимают, так как плита водобоя должна находиться в состоя­нии, достаточно близком к предельномх равновесию, под воздей­ствием нагрузок, приложенных непосредственно к ней

При проверке устойчивости плотин на плоский сдвиг при скаль­ных и полускальных грунтах основаниях может быть использована формула (11 45) При этом следует иметь в виду, что коэффициент трения грунта по подошве плотины f, принимаемый для мягких грунтов равным tgcp, для скальных пород в зависимости от их ка­чества будет равен 0,6 0,8

При наклоне плоскости сдвига под углом а в сторону верхнего бьефа (см рис 1120) формула (1145) принимает вид

где

1.46)

Наклон подошвы плотины в сторону верхнего бьефа повышает устойчивость плотины на сдвиг, что приводит к экономии расхода бетона плотины, а при скальных основаниях — и к уменьшению объема скальных работ