9.Бетонные арочные плотины. Классификация арочных плотин. Требования к геологическим условиям вмещающего скального массива. Меры по укреплению скального основания и береговых массивов.

Арочными плотинами называют криволинейные в плане водоподпорные сооружения, работающие как свод или оболочка и сопротивляющиеся действию горизонтальных нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья.

Горизонтальные сечения арочных плотин (арки) обычно имеют круговое очертание с нормальным опиранием пят арок в берега. Поперечные профили арочных плотин (консоли) весьма различны по форме и в ряде случаев назначаются криволинейными по вертикали.

По характеру работы на основную сдвигающую нагрузку — горизонтальное давление воды — арочные плотины принципиально отличаются от гравитационных. В арочных плотинах силы сопротивления по подошве сооружения, зависящие от веса сооружения, принимают малое участие в работе плотины против сдвига. Устойчивость их обеспе­чивается в основном за счет упора сооружения в берега. Это позволяет проектировать арочные плотины с весьма малой толщиной, определяемой лишь условием прочности материала сооружения.

Профили арочных плотин значительно более обжаты по сравнению с профилями гравитационных плотин и характеризуются так называемым коэффициентом стройности β — относительной толщиной плотины, равной β=е₀/H, где е₀ — толщина плотины у основания; Н — высота плотины.

Для тонких арочных плотин β<0,2 для гравитационных плотин β=0,6÷0,8. Наиболее стройными из построенных арочных плотин являются плотины Толла — β=0,023 ÷ 0,048 и Вайонт — β=0,084 и др. Таким образом толщина арочных плотин (и, следовательно, объем бетона на 1 м длины) меньше, чем гравитационных в 2 — 4, иногда в 6 — 8 раз и более. Общая экономия бетона вследствие криволинейности арочных плотин в плане несколько меньше и для современных арочных плотин составляет 35 — 65 %.

Для весьма стройных арочных плотин экономия бетона может достигать и больших значений. Так, в арочной плотине Гаж (Франция), имеющей H=38 м, е_о=1,8 м и β=0,047, объем бетона составил 18 % объема бетона в гравитационной плотине.

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 м³ бетона обычно не превышает 10— 15 %.

Высокая экономичность арочных плотин при одновременной их надежности объясняет их широкое распространение.

Классификация арочных плотин. По относительной толщине профиля — коэффициенту стройности различаются следующие типы арочных плотин: тонкие β<0,2; толстые β=0,2÷0,35; арочно-гравитационные β>0,35.

Коэффициент стройности арочной плотины определяют обычно по размерам арочной части плотины, исключая местные утолщения (например, в виде "пробки", которая иногда устраивается в нижней части плотины).

По высоте арочные плотины разделяют на три категории: низкие—до 40 м; средней высоты 40 — 100 м; высокие— более 100 м.

По форме различают: арочные плотины с одной кривизной, поверхность которых имеет кривизну только в горизонтальном направлении (цилиндрические) и 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 контуром (периметральным) швом; со швами или швами-надрезами, устраиваемыми в нижней части опирания сооружения.

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 строят бетонными; железобетонные арочные плотины строят редко, каменные в настоящее время не строят.

Существуют и другие менее характерные признаки классификации арочных плотин, например, различают арочные плотины в узких или широких (L/H>3÷3,5) створах, в симметричных или несимметричных ущельях и т. д.

Геологические условия должны обеспечивать возможность передачи значительных усилий от плотины на берега долины при высоком уровне сжимающих напряжение в плотине (достигающих 10-12 МПа). Для восприятия указанных усилий берега в створе плотины должны быть сложены прочной, монолитной, малодеформирующейся скалой. Кроме того, скала должны быть водоустойчивой и водонепроницаемой. Таким требованиям наиболее удовлетворяют- песчаники, известняки.

Для обеспечения прочности основания в зоне примыкания плотины в зависимости от качества скального массива предусматривают: удаление верхнего слабого слоя скалы; устройство укрепительной цементации скалы и места контакта бетона со скалой; проведение расчистки и заполнения бетоном крупных трещин и полостей; устройство в слабой скале специальных конструкций (стенок, контрфорсов) для передачи нагрузки от плотины на прочные зоны породы; анкеровку недостаточно устойчивых и прочных массивов скалы; защиту склонов скалы слоем бетона.

Укрепительная цементация скалы производиться под подошвой плотины на глубину 10-30 м в зависимости от прочностных и деформативных характеристик скального массива.

Противофильтрационные мероприятия предусматривают устройство цементационных и дренажных завес. Они устраиваются как в основании плотины, так и в береговых ее примыканиях. В основании плотины зывесы выполняются вертикальными или несколько наклонёнными в стороны ВБ. Для береговых участков предпочтителен разворот в сторону ВБ, что особенно важно для устойчивых береговых примыканий плотины.