Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование бетонной гравитационной плотины на скальном основании. Учебно-методическое пособие
.pdf
СТРОИТЕЛЬСТВО
М.П. Саинов, Ф.В. Котов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
БЕТОННОЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛОТИНЫ
НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
Учебно-методическое пособие
ISBN 978-5-7264-3653-1
Москва
Издательство МИСИ – МГСУ
2025
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2025
УДК 627.43
ББК 37.772.3
C14
Рецензенты:
кандидат технических наук В.Г. Желанкин,
доцент кафедры энергетических и гидротехнических сооружений НИУ «МЭИ»;
кандидат технических наук В.В. Толстиков,
доцент кафедры гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ
Саинов,МихаилПетрович.
С14 Проектирование бетонной гравитационной плотины на скальном основании : учебно-
методическое пособие / М.П. Саинов, Ф.В. Котов ; Мини стерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Мос ковский государственный
строительный университет, кафедра гидравлики и гидротехнического строительства. — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2025. — URL: http://lib.mgsu.ru. — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-7264-3653-1 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-3654-8 (локальное)
В учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы анализа условий района строительства,
компоновки сооружений, а также выбора проектно-конструкторских решений. Изложена методика
статических расчетов бетонной гравитационной плотины, гидравлических расчетов строительных
и эксплуатационных водосбросов. Приведены методики расчетов по наиболее важным моментам
КП/КР, требования и примеры оформления пояснительной записки и чертежей к ней.
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство, 08.04.01 Строительство, 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений.
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2025
Учебное электронное издание
СаиновМихаил Петрович, Котов Филипп Викторович
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕТОННОЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛОТИНЫ
НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
Учебно-методическое пособие
Редактор Т.Н. Донина
Корректор В.К. Чупрова
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 29.05.2025. Объем данных 2,2 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Московский государственный строительный университет».
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
высшего образования
«Национальный исследовательский
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................................................5
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ..............................................................................5
2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПЛОТИНЫ ..................................... 7
3. МЕТОДИКА РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИНЫ ...................................8
3.1. Сбор действующих нагрузок ............................................................................................................... 8
3.2. Определение контактных напряжений ............................................................................................ 11
3.3. Расчет устойчивости плотины на плоский сдвиг............................................................................ 11
4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ПЛОТИНЫ .................................................................................................... 13
4.1. Дренаж тела плотины ......................................................................................................................... 13
4.2. Подбор бетона ..................................................................................................................................... 13
5. ПРИМЕР КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ПЛОТИНЫ ................................................................ 15
5.1. Исходные данные для проектирования ............................................................................................ 15
5.2. Предварительный выбор конструктивной схемы плотины ........................................................... 15
5.3. Сбор действующих нагрузок ............................................................................................................. 16
5.4. Расчет контактных напряжений ........................................................................................................ 17
5.5. Расчет устойчивости плотины на сдвиг ........................................................................................... 18
5.6. Конструирование плотины ................................................................................................................ 19
6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БЕТОННОЙ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ..................................... 22
6.1. Выбор пропускной способности водосброса эксплуатационного периода .................................. 22
6.2. Гидравлический расчет и конструирование водослива .................................................................22
6.3. Определение дальности отлета отброшенной струи ......................................................................24
6.4. Определение глубины воды в яме размыва .....................................................................................26
7. ПРИМЕР РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ................................. 27
7.1. Анализ исходных данных для проектирования ..............................................................................27
7.2. Выбор ширины водосливного фронта ..............................................................................................27
7.3. Проектирование водослива ................................................................................................................ 28
7.4. Определение дальности отброса струи ............................................................................................ 29
7.5. Определение глубины ямы размыва ................................................................................................. 30
8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНОГО ВОДОСБРОСА .................................................................. 31
8.1. Схемы пропуска воды в период строительства ............................................................................... 31
8.2. Конструкции временных сооружений .............................................................................................33
8.3. Выбор поперечного сечения напорного водосброса ....................................................................... 34
8.4. Методика расчета сопряжения бьефов за туннельным водосбросом ........................................... 35
8.5. Пример гидравлического расчета туннельного водосброса строительного периода ................. 36
8.6. Пример гидравлического расчета напорных водосбросных отверстий строительного
периода ................................................................................................................................................ 39
9. КОНСТРУИРОВАНИЕ БЕТОННОЙ ПЛОТИНЫ В НАПРАВЛЕНИИ ВДОЛЬ СТВОРА ................ 42
ОТЧЕТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ......................................................................................................................... 43
ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ/ПРОЕКТА ..................................................................... 44
Библиографический список ......................................................................................................................... 46
Бетонные гравитационные плотины — самый распространенный тип высоких плотин. Их
конструкции обладают высоким уровнем надежности и они удобны для размещения водосбросных сооружений. Поэтому освоение методики проектирования гидроузла с высокой бетонной плотиной на скальном основании является обязательной составляющей обучения студентов-гидротехников.
Учебно-методическое пособие призвано помочь в выполнении курсового проекта (работы), посвященного проектированию гидроузла с высокой бетонной плотиной. Необходимо запроектировать не только саму бетонную плотину, но и водосбросные сооружения гидроузла,
а также выбрать их компоновку в составе гидроузла.
При проектировании бетонной гравитационной плотины необходимо решить следующие
задачи:
– выбрать и обосновать расчетами габаритные размеры профиля плотины, обосновать ее
класс ответственности;
– определить конструктивные мероприятия по борьбе с фильтрацией в основании и теле
плотины;
– выбрать бетон для тела плотины, выполнить зонирование бетона;
– вписать конструкцию плотины в рельеф створа.
На предварительной стадии необходимо выбрать такой профиль, который бы удовлетворял критериям общей прочности и устойчивости на сокращенный состав нагрузок. В пособии
рассмотрена методика только этих предварительных расчетов, далее могут быть выполнены
более детальные расчеты общей и местной прочности плотины, основания при различных сочетаниях нагрузок (включая температурные и сейсмические воздействия). На основании детальных расчетов при необходимости предварительно выбранная конструкция плотины может быть уточнена, а также оптимизирована.
При подборе состава и компоновки сооружений гидроузла необходимо выбрать конструкции водосбросов эксплуатационного и строительного периодов, временных перемычек, а также обосновать их гидравлическими расчетами. Водосбросы должны обладать достаточной
пропускной способностью, а режим сопряжения бьефов — обеспечивать надежную работу
сооружений гидроузла.
Обучающиеся магистратуры и специалитета в составе курсового проекта помимо перечисленных выше задач дополнительно выполняют более точные расчеты сейсмических
нагрузок, расчеты напряженного состояния тела плотины (в том числе с учетом температурных воздействий), разрабатывают конструкцию водовыпуска. Эти вопросы в данном
учебно-методическом пособии не рассмотрены, они содержатся в специализированных методических указаниях.
Для проектирования гидроузла необходимы сведения о его технических параметрах —
они определяют габариты плотины. Важно знать характерные уровни водохранилища: нор-
мальный подпорный уровень (НПУ), уровень мертвого объема (У МО), уровень сработки водохранилища (УСВ). Если гидроузел имеет энергетическое назначение и в его состав входит
приплотинное здание гидроэлектростанции, то для компоновки гидроузла необходимо знать
габариты здания.
Для проектирования плотины и гидроузла в целом необходима информация об условиях
района строительства и створа плотины: топографических, инженерно-геологических, гидрологических, климатических.
Рельеф участка гидроузла задается топографической картой. На ней створ плотины может
быть задан или его необходимо выбрать.
Минимально необходимые сведения об инженерно-геологических условиях включают:
5
– геологическое строение створа — его обычно представляют в виде инженерно-геологи-
ческого разреза;
– физико-механические свойства, прежде всего прочностные показатели пород: прочность
на сжатие, коэффициент трения и удельное сцепление.
При анализе инженерно-геологических условий необходимо определить, к какому виду
относятся породы основания, а также выяснить степень их сохранности. По происхождению
скальные породы разделяют на магматические, метаформические, осадочные и другие типы.
Осадочные породы (известняки, песчаники, конгломераты, мергели и т.д.) относят к полускальным, если они обладают малой прочностью на сжатие (менее 5 МПа).
Кроме того, необходимо оценить, относится ли район строительства к сейсмически опасным, а также уточнить его исходную сейсмичность. Сейсмическую балльность площадки
строительства можно определить по СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах» для ближайшего населенного пункта — в нем представлены карты и таблицы, по которым можно определить расчетную балльность землетрясения по шкале МШИЗ-18.
Различают проектное (ПЗ) и максимальное расчетное землетрясения (МРЗ), которые отличаются по интенсивности и повторяемости. В соответствии с [7] проектное землетрясение соответствует повторяемости один раз в 500 лет, а максимальное расчетное — один раз
в 5000 лет для плотин ответственности I–III классов. Исходную сейсмичность МРЗ (в баллах)
определяют по карте ОСР-С в СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах»,
а ПЗ — по карте ОСР-А. Если баллы МРЗ больше, чем баллы ПЗ, то расчеты плотины рекомендуется выполнять на исходную сейсмичность МРЗ, а если они равны — то на ПЗ.
Минимально необходимые сведения о гидрологическом режиме реки включают:
– сведения о максимальных расходах реки (в период паводков и половодий), которые задают в виде координат кривой обеспеченности. Кривую обеспеченности указывают в виде ряда
значений ежегодной вероятности превышения расходов и соответствующих им величин расходов. Необходимы сведения о редких данных, с вероятностью 10 % и менее;
– полную информацию о глубинах реки, которую дает батиграфическая кривая, выражающая зависимость уровня воды от расхода реки (рис. 1.1). Нулевому расходу соответствует отметка дна реки.
УНБ, м
дна
0
Рис. 1.1. Батиграфическая кривая нижнего бьефа:
УНБ — уровень нижнего бьефа; Q — расход воды в реке
Q, м
3
/c
Информацию о климате (среднегодовая температура воздуха) можно получить из таблицы СП 131.13330.2020 «Строительная климатология», по которой для ближайшего населенного пункта определяют характерные температуры воздуха: среднегодовую и среднемесячную
для самого холодного месяца. По ним можно оценить климатические условия (умеренные, суровые и т.п.).
6
НПУ
НПУ
а б
Все расчеты по обоснованию конструкции плотины выполняют для секции максимальной высоты. Высота плотины — превышение гребня плотины над самой нижней точкой ее подошвы.
Гребень плотины должен быть выше уровня воды водохранилища с учетом высоты наката волны. Приближенно можно принять, что отметка гребня должна быть выше: НПУ на 3 м;
форсированный подпорный уровень (ФПУ) на 0,5 м.
Подошва плотины должна быть заглублена относительно дна до поверхности сохранной («здоровой») скалы, обладающей достаточной прочностью; нескальные и выветрелые
скальные грунты должны быть полностью удалены. Как правило, заглубление подошвы плотины относительно поверхности скалы составляет не менее 3–5 м, ее принимают горизонтальной.
Высота H плотины является фактором, который определяет ее класс ответственности.
В соответствии с [6] выбор класса ответственности бетонной плотины выполняют по следующим критериям:
H > 100 м — класс I, 60 ≤ H <100 м — класс II, 25 ≤ H < 60 м — класс III, H < 25 м — класс IV.
Профиль плотины должен быть выбран таким, чтобы обеспечить прочность контакта
со скальным основанием и устойчивость плотины на сдвиг.
Как правило, гравитационная плотина имеет треугольный профиль с надстройкой для
устройства дороги на гребне. Вершину треугольника, как правило, располагают на отметке
НПУ водохранилища.
Выбор наклона граней профиля определяют следующие факторы:
– сдвиговые характеристики контакта бетона со скалой;
– сейсмичность района строительства;
– высота плотины.
Чем ниже сдвиговая прочность, чем выше плотина и интенсивность землетрясений, тем
более массивным должен быть профиль плотины.
Можно выделить два вида профилей плотины:
– профиль I — имеет вертикальную напорную грань (рис. 2.1, а);
– профиль II — имеет наклонную (или ломаную) напорную и низовую грани (рис. 2.1, б).
1:m
Н
Рис. 2.1. Типы профилей бетонной гравитационной плотины:
а — профиль I; б — профиль II; В — ширина подошвы, м; m — заложение откоса
В
1:m
H
УНБ
B
1:m
В
в
7
Н
H
В
н
В
УНБ
Профиль I с вертикальной верховой гранью является наиболее экономически эффективным, если не возникает угрозы потери устойчивости плотины на сдвиг. Применяется при
прочном (слабовыветрелом, слаботрещиноватом) скальном основании при сейсмичности
района строительства менее 8 баллов по шкале МШИЗ-18. Заложение низовой грани составляет 0,7–0,85.
Профиль II с наклоном верховой грани применяется, если район строительства сейсмически активный и/или основание сложено полускальными или малопрочными скальными породами. Верховую грань выполняют наклонной для того, чтобы за счет пригрузки водой увеличить вес плотины и повысить ее устойчивость. Заложение низовой грани составляет обычно
от 0,85 до 1,0. Наклон верховой грани целесообразно выполнить только в нижней части плотины. Заложение откоса может составлять 0,1–0,3 и более. Перелом наклона верховой грани
располагают на высоте 20–30 % от высоты плотины.
Практически всегда для борьбы с фильтрацией в скальном основании выполняют:
– цементационную завесу — на глубину сильно проницаемого слоя скалы, приближенно
ее можно принять равной половине высоты плотины;
– вертикальные дренажные скважины — на глубину примерно 80 % от глубины цемента-
ционной завесы.
Ось цементационной завесы располагают от напорной грани на расстоянии
bs = 0,1– 0,25 B (B — ширина подошвы). Через 4–5 м (в сторону нижнего бьефа) от оси завесы
располагают скважины вертикального дренажа.
Расчеты общей прочности и устойчивости плотины выполняют при основном сочетании
нагрузок, а при наличии сейсмического воздействия — при особом сочетании нагрузок, включающем это воздействие.
Расчет выполняют для случая наиболее неблагоприятного сочетания уровней бьефов. Уро-
вень верхнего бьефа (УВБ) принимают равным НПУ. Для плотин большой и средней высоты, как правило, более опасным является случай, когда УНБ — максимальный, так как в этом
случае увеличивается противодавление на подошву.
Напор на сооружение:
H = НПУ – УНБ. (3.1)
При основном сочетании нагрузок учитывают следующие нагрузки: собственный вес плотины G; вертикальное и горизонтальное давление воды на напорную и низовую грани плотины; противодавление на подошву (взвешивающее и фильтрационное). Кроме того, могут учитываться нагрузки от давления наносов в водохранилище (вес, боковое давление наносов).
При определении веса плотины плотность бетона можно принять равной 2,4 т/м3.
Эпюру фильтрационного противодавления на подошву плотины на скальном основании
принимают в соответствии с [4]. Считается, что оно существенно снижается за счет устройства цементационной завесы и дренажа, но сохраняется до выхода фильтрационных вод в нижний бьеф (рис. 3.1).
На напорной грани фильтрационный напор принимается равным полному напору H.
Напор на оси цементационной завесы Hαs принимают равным:
– 0,4H для плотин классов I и II;
– 0,3H для плотин классов III и IV.
8
НПУ
Н
b
s
h
УНБ
н.б
В
h
н.б
dr
H
αs
H
Н
Рис. 3.1. Схема эпюр противодавления на подошву плотины:
Hdr — напор на оси дренажа; bs — расстояние от напорной грани до оси цементационной завесы;
h
— глубина воды в нижнем бьефе; Hαs — напор на оси цементационной завесы
н.б
Напор на оси дренажа Hdr принимают равным:
– 0,2H для плотин класса I;
– 0,15H для плотин класса II;
– 0,05H для плотин классов III и IV.
В результате расчета необходимо определить усилия, которые передаются плотиной на основание:
– сумму горизонтальных сил T;
– сумму вертикальных сил V;
– сумму изгибающих моментов M.
Моменты подсчитывают относительно центра тяжести, т.е. середины подошвы (точка О).
Сбор нагрузок целесообразно осуществлять в табличной форме (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Формадляподсчетаусилийнаконтактеплотинысоснованием
Нагрузка
Обозначение Наименование
Площадь,
2
м
Плотность,
т/м
3
горизонтальная вертикальная
Подсчет сил
Сила, МН
Плечо,
м
Момент М,
МН·м
При особом сочетании нагрузок дополнительно к нагрузкам основного сочетания добавля-
ется сейсмическая сила S. Расчет выполняют для случая горизонтального направления сейс-
мического воздействия.
Определение сейсмической силы представляет собой довольно сложную задачу, завися-
щую от ускорения основания A0, веса, динамических характеристик плотины и других факторов. Приближенно ее можно определить по формуле
S = GA, (3.2)
9
где G — вес плотины, МН; A — осредненное значение относительного ускорения плотины (от-
А/А
носительно ускорения свободного падения).
Величина A прежде всего зависит от ускорения основания A0, которое определяется в за-
висимости от сейсмической балльности района строительства. В соответствии с [7] расчетное
ускорение основания выявляется в зависимости от исходной сейсмичности площадки строительства и категории грунта основания.
Скальные грунты поделены на две категории:
I — невыветрелые и слабовыветрелые;
II — выветрелые и сильновыветрелые.
При сочетании пород разной степени выветрелости или при переслаивании пород выделя-
ют категорию I–II.
Расчетные значения ускорений основания приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
ЗначенияпараметроврасчетныхускоренийА
Категория
грунта
I – 0,12 0,24 0,48
I–II 0,08 0,16 0,32 –
II 0,10 0,20 0,40 –
Исходная сейсмичность площадки строительства, балл
7 8 9 10
0
Кроме того, сейсмическое ускорение плотины зависит от ее высоты и массивности. В боль-
шинстве случаев ускорение плотины превышает ускорение основания. Отношение А/А0 можно определить по рис. 3.2 в зависимости от высоты плотины H. Оно получено путем обработ-
ки результата расчета сейсмических сил гравитационной плотины по линейно-спектральной
теории (при учете трех форм собственных колебаний).
Сейсмические ускорения неравномерно распределены по высоте плотины — на гребне они
значительно выше, чем у подошвы. Поэтому сейсмическая сила приложена не в центре тяжести плотины, а несколько выше. Можно принять, что точка приложения горизонтальной сейсмической силы располагается на высоте примерно 36–39 % от высоты плотины.
1,4
0
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0 50 100 150 200 250
mв = 0, mн = 0,8
m
= 0,2, mн = 0,8; mв = 0, mн = 1,1
в
Н, м
Рис. 3.2. Динамические свойства бетонных гравитационных плотин
на деформируемом основании: m
, mн — заложение соответственно верховой и низовой граней
в
При расчете на особое сочетание нагрузок сейсмическую силу учитывают в сумме гори-
зонтальных сил и в сумме изгибающих моментов.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]