5. Общие сведения о гравитационных бетонных плотинах. Реальные профили гравитационных плотин и их отличия от теоретического профиля.

Гравитационные плотины – это такие плотины, устойчивость и прочность которых при воздействии внешних нагрузок обеспечиваются их собственным весом. Материалом для гравитационных плотин в основном служит бетон.

По высоте бетонные плотины подразделяют на низкие (высотой до 40 м), средней высоты (от 40 до 100 м) и высокие (высотой более 100 м). По степени массивности профиля различают массивные и облегченные гравитационные плотины. Гравитационные плотины подразделяют по их назначению на глухие и водосбросные (последние могут быть с поверхностным водосливом или глубинными отверстиями).

Достоинства бетонных гравитационных плотин:

а) простые геометрические формы, позволяющие применять широкую механизацию бетонных работ и использовать прогрессивные типы опалубки;

б) благоприятные условия для создания необходимого термического режима в строительный период, важно при возведении плотин в районах с суровым климатом;

в) применения жестких бетонных смесей с малым содержанием цемента;

г) относительно малая чувствительность к нарушениям технологии возведения; д) низкая стоимость 1 м³ уложенного бетона.

Недостатки бетонных гравитационных плотин:

а) относительно большие объемы бетона по сравнению с облегченными типами плотин (арочными, контрфорсными);

б) недостаточное использование прочностных свойств бетона;

в) чувствительность к температурным воздействиям эксплуатационного периода и невозможность искусственного регулирования термического режима тела плотины;

г) неравномерное и неблагоприятное распределение напряжений в основании.

Теоретический профиль плотины имеет вид треугольника. Необходимо соблюдение четырех условий: I. Технические условия 1) устойчивость на сдвиг; 2) отсутствие растягивающих напряжений; 3) максимальное главное нормальное напряжение в бетоне не должно превышать допустимого. II. Экономическое условие 4) Поперечный профиль плотины должен иметь минимальную площадь.

П ри проектировании профиля плотины высоту Н его следует считать заданной. Расчетом теоретического профиля необходимо устанавливать только два его размера: a и b; a определяет место положения вершины А профиля. Решая задачу по определению размеров a и b, можно различать плотины низкие, средней высоты и высокие.

Экономичность достигается за счет уменьшения ширины подошвы плотины.

Рассмотрим первое условие: k_cW₁=fV, где f — коэффициент сопротивления плотины сдвигу по основанию; k_с — коэффициент запаса устойчивости против сдвига.

Величины W₁, V и к_с вычисляют по формулам:

=24 кН/м³;

Рассмотрим второе условие: бетон слабо сопротивляется растяжению и в нем недопустимо появление трещин с напорной стороны плотины, так как это вызвало бы опасную фильтрацию воды со всеми ее последствиями. Растягивающие нормальные напряжения в теле плотины могут появиться на напорной грани под действием давления воды верхнего бьефа, поэтому первое условие будет выполнено, если принять эти напряжения в расчете равными нулю. Исходя из условия σ'_н=0, получим по формуле

Минимум b будет при максимальном значении знаменателя дроби. Дифференцируя по п подкоренное выражение и приравнивая производную нулю, получим — откуда n=1- . Величину Для бетона в среднем можно принять равной 2,4. Тогда п= - 0,2, т. е. напорная грань плотины должна иметь обратный уклон (быть нависающей). Ввиду производственных неудобств такого профиля принимают более удобное в строительном отношении ближайшее значение n=0. Следовательно, экономичным профилем плотины при соблюдении первого условия и с учетом производственных удобств является прямоугольный треугольник с вертикальной напорной гранью.

Для такого профиля выражения нормальных напряжений получим, приняв в формулах n=0:

Экономичная ширина для указанного профиля составляет b= при этом напряжения будут равны:

При обычных значениях =2,4 и α₁ =0,5 получим b=h/1,38=0,72h.

Если снять в основании фильтрационное давление (с помощью дренажа и других мер), то α₁ =0 и b=0,65h.

Для удовлетворения обоих условий экономичности профиля необходимо приравнять выражения для b

Только при значениях f=0,6 и более, соответствующих скальным основаниям, получаются наиболее экономичные профили плотин, ширина их по основанию составит (0,7 - 0,8)h, а чем меньше величина f, тем больше растет ширина подошвы плотины b, достигая для песчаных оснований (f=0,4 - 0,5) значения b 1,0h, а для глинистых (f =0,2 - 0,3), b=(1,2-1,7)h и более.

Теоретические профили плотины на нескальных основаниях получаются уширенными понизу или "распластанными" с неравномерным распределением напряжений и концентрацией их на низовой грани, что недопустимо. Поэтому при построении профиля плотины в случае песчаных и глинистых оснований исходят в основном из условия устойчивости плотины, при этом добиваются более равномерного распределения напряжений по подошве плотины.

Реальные профили гравитационных плотин. В реальных условиях на плотины так же действуют нагрузки: давление наносов в верхнем бьефе, давление ледяного покрова, давление волн, сейсмические нагрузки и др. Это обусловливает необходимость исправления профиля плотины.

Так, при действии сил давления наносов W_H, давления льда W_л и сейсмических сил W_c могут потребоваться уширение подошвы и наклон верховой грани плотины; при волновых явлениях в верхнем бьефе требуется повышение гребня плотины на величину ∆h, при этом необходим эксплуатационный запас высоты гребня ∆h₁. При этом основной профиль плотины дополняется надстройкой весом G_н. Надстройка может иногда вызвать также дополнительный наклон верховой грани.

Устройство водослива на плотине сопряжено с понижением гребня, приданием плавной, округлой формы оголовку и сливной (низовой) грани и вызывает некоторое перераспределение сил и моментов; однако чем выше плотина, тем это перераспределение играет меньшую роль.