Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование бетонной гравитационной плотины на скальном основании. Учебно-методическое пособие
.pdf
Контактные напряжения необходимо определить для оценки прочности контакта между
плотиной и основанием и прочности бетона.
Расчет нормальных напряжений выполняют по формуле внецентренного сжатия. Приме-
нительно к горизонтальной подошве гравитационной плотины толщиной 1 м формула имеет вид
σy = ± , (3.3)
где V — вертикальная сила для плотины толщиной 1 м; B — ширина горизонтальной подошвы плотины толщиной 1 м; M — изгибающий момент от нагрузок на плотину толщиной 1 м.
Эта формула определяет значения контактных напряжений на верховой и низовой гранях
плотины.
При основном сочетании нагрузок контактные напряжения должны быть сжимающими по
всей ширине подошвы. При особом сочетании нагрузок допускаются растягивающие напряжения, при этом рекомендуется, чтобы ширина зоны растяжения не превышала расстояния
от напорной грани до оси цементационной завесы.
Расчет устойчивости бетонной гравитационной плотины, как правило, выполняют из пред-
положения плоского сдвига по подошве. При наличии в основании протяженных трещин или
ослабленных грунтов расчет устойчивости необходимо провести также по схеме сдвига по соответствующей поверхности с захватом массива основания.
Расчет устойчивости необходимо выполнить при основном сочетании нагрузок, а при на-
личии сейсмических воздействий — и при особом сочетании нагрузок.
Условие устойчивости плотины на плоский сдвиг имеет вид [1]
γlc F = R, (3.4)
где γlc — коэффициент сочетания нагрузок; F — сдвигающая сила, МН; γc, γn — коэффициенты соответственно условий работы и надежности; R — сила сопротивления сдвигу, МН.
Коэффициент сочетания нагрузок для расчетов по предельным состояниям первой груп-
пы принимают равным [6]:
– 1,00 — для основного сочетания нагрузок и воздействий в период нормальной эксплуа-
тации;
– 0,95 — при особой нагрузке, в том числе сейсмической на уровне проектного землетря-
сения с годовой вероятностью 0,01 и менее;
– 0,85 — при сейсмической нагрузке уровня максимального расчетного землетрясения.
Коэффициент надежности нагрузок для расчетов по предельным состояниям первой груп-
пы принимают в зависимости от класса ответственности сооружений [6]:
класс I — 1,25; II — 1,20; III — 1,15; IV — 1,10.
Коэффициент условий работы для расчетов устойчивости бетонных гравитационных пло-
тин в соответствии с [4] принимают равным:
• если основание скальное:
0,95 для поверхностей сдвига по контакту бетон-скала;
1 для поверхностей сдвига по трещинам в массиве основания;
• если основание полускальное — 1.
При сдвиге по горизонтальной поверхности сдвигающая сила равна сумме горизонталь-
ных сил (без учета сил реактивного давления грунта со стороны нижнего бьефа). Она скла-
11
дывается из горизонтальных составляющих сил гидростатического давления и сил активного
давления грунта со стороны верхнего бьефа:
F = T
где T
в.б, Tн.б
— горизонтальная составляющая сил давления со стороны соответственно верх-
в.б
– T
+ Eа, (3.5)
н.б
него бьефа (без учета сил активного давления грунта) и нижнего; Eа — горизонтальная составляющая силы активного давления грунта со стороны верхнего бьефа.
Сила сопротивления плоскому сдвигу складывается из сил трения, сцепления по подошве
и сил пассивного давления грунта:
R = N tg φI + Ac cI + γʹc E
, (3.6)
p,tw
где N — реакция опоры на поверхности скольжения; tgφI, cI — характеристики прочности по
расчетной поверхности сдвига для расчетов по первой группе предельных состояний; Ac —
площадь проекции на поверхность сдвига подошвы сооружения, в пределах которой учитывают сцепление; γʹc — понижающий коэффициент условий работы; E
— горизонтальная со-
p,tw
ставляющая силы пассивного давления грунта со стороны нижнего бьефа.
Условие устойчивости на сдвиг целесообразно представить в виде
k
где k
— коэффициент устойчивости, k
уст
уст
уст
= R/F; k
≥ k
норм
, (3.7)
уст
норм
— нормативное значение коэффициен-
уст
та устойчивости:
норм
k
= .
уст
Расчетные характеристики сдвиговой прочности по контакту бетон-скала по первой группе предельных состояний (tg φI и сI) принимают исходя из имеющихся данных испытаний или
по рекомендациям [1], которые приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Расчетныехарактеристикисдвиговойпрочностискальныхоснований
длярасчетовустойчивости
По трещинам,
заполненным песчаным
и глинистым грунтом
tg φ
I
сI, МПа
Грунты основания
Скальные: слаботрещиноватые, невыветрелые
с R*c > 50 МПа
Скальные: среднетрещиноватые, невыветрелые
с Rc > 50 МПа
Скальные: сильнотрещиноватые
с 15 < Rc < 50 МПа;
слабовыветрелые, слаботрещиноватые
с 5 < Rc < 15 МПа
Полускальные c Rc < 5 МПа
По контакту
бетон-скала
tg φ
I
сI, МПа
0,95 0,4 0,55–0,8 0,05–0,15
0,85 0,3 0,55–0,8 0,05–0,15
0,80 0,2 0,45–0,7 0,02–0,10
0,75 0,15 0,45–0,65 0,02–0,05
*Rc — нормативное значение предела прочности отдельностей скального грунта на одноосное сжатие.
12
Для защиты бетона плотины от вредного воздействия фильтрационных вод вблизи напорной
грани выполняют дренажные скважины. Для наблюдения за работой дренажа необходимо предусмотреть смотровые галереи (потерны), они располагаются с шагом примерно 20 м по высоте.
Расстояние от напорной грани до дренажа выбирают из условия фильтрационной прочности бетона [4]:
γn ≤ J
, (4.1)
cr,m
где Hdr — напор воды над рассматриваемым сечением, м; adr — расстояние от напорной грани до оси дренажа, м; J
— критический градиент бетона.
cr,m
В первом приближении критический градиент можно принять равным 15.
Конструктивное расстояние от напорной грани до дренажа должно быть принято не менее 2 м.
Необходимо выбрать класс бетона (по прочности), марку по водонепроницаемости и марку по морозостойкости.
В целях повышения экономической эффективности строительства целесообразно выполнить зонирование бетона, т.е. разделение на зоны с бетоном разного качества. В профиле плотины принято выделять следующие зоны:
– зона I вдоль низовой грани плотины, в которой бетон соприкасается только с атмосфер-
ным воздухом. В этой зоне к бетону предъявляются требования по морозостойкости;
– зона II вдоль тех частей напорной и низовой грани, которые подвержены колебаниям
уровней воды. В них бетон должен обладать как водонепроницаемостью и водостойкостью,
так и морозостойкостью;
– зона III вдоль тех частей поверхности профиля, которые постоянно находятся под водой.
В этих зонах бетон должен обладать водостойкостью и водонепроницаемостью;
– зона IV — внутренняя зона, в которой бетон не подвергается различным воздействиям,
он должен обладать лишь необходимой прочностью.
Внутреннюю зону плотины целесообразно выполнять из укатанного бетона, остальные
зоны — из вибрированного бетона. Ширина каждой из зон должна быть не менее 2 м.
Марку бетона по водонепроницаемости в соответствии с [5] выбирают в зависимости
от градиентов напора и температуры воды (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Выбормаркибетонаповодонепроницаемости
Температура T воды, ℃
≤ 10 ℃ W2 W4 W6 W8
10 ℃ < T ≤ 30 ℃
T > 30 ℃
Марка бетона по водонепроницаемости при градиенте напора J
J ≤ 5 5 < J ≤ 10 10 < J ≤ 20 20 < J ≤ 30
W4 W6 W8 W10
W6 W8 W10 W12
При этом в соответствии с [4] марку бетона в зоне II нужно принимать не менее W8.
Марку бетона по морозостойкости в соответствии с [5] выбирают в зависимости от климатических условий и количества циклов попеременного замораживания и оттаивания
в год (табл. 4.2). По среднемесячной температуре T
наиболее холодного месяца выделяют
зим
умеренные, суровые и особо суровые климатические условия. Умеренными считаются условия при T
> –10 ℃, суровыми при –20 ℃ ≤ T
зим
< –10 ℃, особо суровыми при T
зим
13
< –20 ℃.
зим
Таблица 4.2
Выбормаркибетонапоморозостойкостипоциклампопеременногозамораживания
Климатические
условия
Умеренные F50 F100 F150 F200 F300 F400 F600
Суровые F100 F150 F200 F300 F400 F600 F800
Особо суровые F200 F200 F400 F500 F500 F800 F1000
при числе циклов попеременного замораживания и оттаивания в год
≤ 25 26–50 51–100 101–150 151–200 201–250 251–300
Марка бетона по морозостойкости
По [2] выбор марки по морозостойкости выполняют по расчетной зимней температуре наружного воздуха (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Выбормаркибетонапоморозостойкости
Виды зон конструкции
T < –40 ℃ –40 ℃ ≤ T < –20 ℃ –20 ℃ ≤ T < –5 ℃ T > –5 ℃
Водонасыщенные зоны
гидротехнических сооружений
Зоны, подвергающиеся
атмосферным воздействиям
Расчетная зимняя температура T наружного воздуха
F300 F200 F150 F100
F200 F150 F100 F75
Класс бетона выбирают в зависимости от величин напряжений в бетоне из условия прочности. Условие прочности на сжатие имеет вид [5]
γn γlc |σ3| ≤ γcd Rbτ, (4.2)
где σ3 — расчетное сопротивление бетона на сжатие по предельным состояниям первой группы (с учетом фактора времени); γcd — коэффициент условий работы; Rbτ — максимальное
по величине сжимающее главное напряжение.
Значения прочности (расчетного сопротивления) бетона на сжатие в возрасте 180 сут приведены в табл. 4.4. Приближенно, при отсутствии данных о сроках возведения сооружения,
можно принять Rbτ = Rb.
Максимальные сжимающие напряжения характерны для низовой зоны у подошвы плотины. Главные напряжения на низовой грани (без учета давления воды нижнего бьефа) вычисляют по формуле
σ
где σ
— вертикальные напряжения на низовой грани.
y,t
3,t
= σ
(1 + m
y,t
2
), (4.3)
н
Таблица 4.4
РасчетноесопротивлениебетонаRbпопредельнымсостояниямпервойгруппы
Класс бетона B5 B7,5 B10 B12,5 B15 B17,5 B20 B22,5 B25 B27,5 B30
Rb, МПа
2,8 4,5 6,0 7,5 8,9 10,3 11,7 13,1 14,5 15,8 17,0
Отдельные требования к выбору класса и марок бетона предъявляют к бетону граней
водосброса (зона II), которые могут подвергаться кавитации и абразии частицами наносов.
В этой зоне класс бетона назначают не ниже B25, марка по водонепроницаемости должна быть
не ниже W10, марка по морозостойкости — не ниже F200.
14
Нормальный подпорный уровень водохранилища составляет 97 м, отметка дна реки —
5 м, максимальный уровень нижнего бьефа — 10 м.
В русловой части основанием плотины служат полускальные породы (песчаники, конгломераты); аллювиальные грунты отсутствуют.
Район строительства относится к сейсмически активному. Расчетная балльность максимального расчетного землетрясения составляет 8 баллов по шкале МШИЗ-18.
Климат района строительства характеризуется среднемесячной температурой наиболее
холодного месяца –25 ℃.
Принимают отметку гребня плотины на 3 м выше НПУ, т.е. 100 м; заглубление подошвы
относительно дна реки — 5 м. Соответственно, отметка подошвы составит 0 м (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Схема профиля бетонной гравитационной плотины
В этом случае высота плотины составит 100 м.
В соответствии c [6] бетонная плотина высотой 100 м относится к классу ответственности II.
С учетом того, что крупные магистрали в районе строительства отсутствуют, ширину
гребня плотины принимают 10 м.
Так как район строительства является сейсмически активным, принимают профиль плотины с наклонной напорной гранью. Заложение низовой грани mн = 0,8. Верховую грань выполняют ломаной: в верхней части ее — вертикальной, в нижней — с заложением mв = 0,3.
Перелом наклона профиля принимают на высоте 35 м (35 % от высоты плотины) (см. рис. 5.1).
Построив профиль плотины, определяют, что ширина ее подошвы составляет B = 84,6 м.
В основании плотины выполняют противофильтрационные устройства — цементационную завесу и вертикальный дренаж. Глубину цементационной завесы принимают равной
50 м, глубину скважин вертикального дренажа — 40 м.
Ось цементационной завесы располагают на расстоянии 12 м от напорной грани (14 %
от ширины подошвы), а ось дренажной завесы — на расстоянии 4 м от оси цементационной
завесы.
15
Расчеты проводят на основное и особое сочетания нагрузок.
Основное сочетание включает следующие нагрузки:
– собственный вес G плотины;
– горизонтальные силы гидростатического давления верхнего и нижнего бьефов (T
и T
);
н.б
– вес пригрузки водой на верховую и низовую грани плотины;
– взвешивающее W
Расчет выполняют для случая максимальных уровней верхнего и нижнего бьефов. Глубина верхнего бьефа составляет 97 м, глубина нижнего бьефа 10 м.
Напор
Ординаты эпюры фильтрационного противодавления определяют в соответствии с [4].
Для плотины класса II:
– напор на оси цементационной завесы
– напор на оси дренажа
и фильтрационное Wф противодавление на подошву.
взв
H = НПУ – УНБ = 97 – 10 = 87 м.
Hαs = 0,4H = 0,4 · 87 = 34,8 м;
в.б
Hdr = 0,15H = 0,2 · 87 = 13,05 м.
Схема действующих нагрузок показана на рис. 5.2.
Расчет сил и изгибающих моментов на контакте плотины с основанием выполняют по форме табл. 5.1. Подсчет моментов осуществляют относительно точки О, расположенной посредине подошвы.
Рис. 5.2. Схема нагрузок, действующих на плотину
16
Определениеусилий,передаваемыхплотинойнаподошву
Таблица 5.1
Обо-
значе-
ние
G
б
G
в.б
G
н.б
Т
в.б
Т
н.б
W
взв
W
ф
Нагрузка
2
Наименование
м
Площадь,
Плотность,
Собственный вес плотины 3978,6 2,4 – 93,67 10,76 –1007,9
Вес пригрузки водой верхнего бьефа 556,5 1,0 – 5,46 39,06 –213,2
Вес пригрузки водой нижнего бьефа 9,0 1,0 – 0,09 39,63 3,5
Гидростатическое давление верхнего бьефа 4704,5 1,0 46,15 – 32,33 1492,2
Гидростатическое давление нижнего бьефа 50 1,0 –0,49 – 3,33 –1,6
Взвешивающее противодавление 846 1,0 – –8,30 – –
Фильтрационное противодавление 1432 1,0 – –14,05 22,47 315,7
3
т/м
горизон-
тальная
Подсчет сил
Сила, МН
верти-
кальная
Плечо, м
Момент,
МН·м
Сумма – – 45,66 76,87 – 588,6
При расчете на особое сочетание нагрузок дополнительно к нагрузкам основного сочетания учитывают сейсмическую силу S. Ее определяют приближенно, через сейсмическое ускорение основания.
Так как слой выветрелых грунтов вынут из-под подошвы плотины, грунт основания относится к категории грунтов I в соответствии с [7]. При исходной сейсмичности площадки строительства 8 баллов (максимальное расчетное землетрясение) и категории грунтов I относительное ускорение основания составляет A0 = 0,12.
По графику определяют, что при высоте плотины 100 м осредненное ускорение плотины
будет превышать ускорение основания: A/A0 = 1,26. Тогда A = 1,26 · 0,12 = 0,151.
Сейсмическая сила
S = Gб A = 93,67 · 0,151 = 14,2 МН.
Для особого сочетания нагрузок сумма горизонтальных сил составит 59,8 МН.
Высоту приложения сейсмической силы принимают равной 38,5 % от высоты плотины,
т.е. es = 38,5 м. Тогда момент сейсмической силы
Ms = Ses = 14,2 · 38,5 = 545,3 МН·м.
Этот момент добавляют к моменту от статических сил. Тогда для особого сочетания нагрузок сумма изгибающих моментов составит 1134 МН·м.
Расчет контактных напряжений выполняют для основного и особого сочетаний нагрузок.
Для определения вертикальных напряжений на гранях подошвы плотины используют формулу (3.3), где B — ширина подошвы плотины, B = 84,6 м.
Для основного сочетания нагрузок из табл. 5.1 V = 76,87 МН, M = 588,6 МН·м.
Напряжение на низовой грани:
σy = + = 1,40 МПа.
Напряжение на верховой грани:
σy = – = 0,41 МПа.
17
Растягивающих напряжений не возникает, значит, профиль удовлетворяет условию общей
прочности.
Для особого сочетания нагрузок (с учетом сейсмических сил) V = 76,87 МН, M = 1134 МН·м.
Напряжение на низовой грани:
σy = + = 1,86 МПа.
Напряжение на верховой грани:
σy = – = –0,04 МПа.
Вблизи напорной грани образуется зона растягивающих напряжений длиной 1,87 м (рис. 5.3).
Она намного меньше расстояния для оси цементационной завесы, общую прочность плотины
при особом сочетании нагрузок можно считать обеспеченной.
Рис. 5.3. Контактные напряжения под плотиной, МПа:
а — при основном сочетании нагрузок; б — при особом сочетании
Проверку устойчивости выполняют для поверхности скольжения, проходящей по подошве
плотины, при основном и особом сочетаниях нагрузок.
Условие устойчивости и нормативное значение коэффициента устойчивости показаны
в формуле (3.7).
В соответствии с [6] для сооружений класса II коэффициент надежности γn = 1,20.
В соответствии с [4] при расчете устойчивости гравитационной плотины по контакту
бетон- скала для полускального грунта коэффициент условий работы γc = 1,0.
Коэффициент сочетания нагрузок γlc принимают в соответствии с [6]:
– γlc = 1,0 для основного сочетания нагрузок;
– γlc = 0,85 при особом сочетании нагрузок, включающем сейсмическую нагрузку уровня
максимального расчетного землетрясения.
18
Тогда:
– при основном сочетании нагрузок
норм
k
= = 1,2;
уст
– при особом сочетании нагрузок (для МРЗ)
норм
k
= = 1,02.
уст
Так как грунт — полускальный, расчетные характеристики сдвиговой прочности по контакту бетон-скала в соответствии с [1] принимают равными tg φI = 0,75, cI = 0,15 МПа.
Силу сопротивления сдвигу в соответствии с [4] определяют по формуле (3.6).
Так как поверхность скольжения — горизонтальна, реакция опоры равна сумме вертикальных сил: N = V = 76,87 МН.
Площадь Ас равна ширине подошвы плотины Ас = В = 84,6 м.
Тогда сила сопротивления сдвигу
R = 76,87 ∙ 0,75 + 84,6 ∙ 0,15 = 57,6 + 12,7 = 70,3 МН.
При основном сочетании нагрузок сдвигающая сила равна сумме горизонтальных сил
F = 45,66 МН.
При основном сочетании нагрузок
k
= = = 1,54.
уст
Он больше нормативного (1,263), значит, устойчивость плотины на сдвиг обеспечена.
При основном сочетании нагрузок сдвигающая сила учитывает сейсмическую силу и равна
F = T + S = 45,6 + 14,2 = 59,8 МН.
При особом сочетании нагрузок
k
= = = 1,176.
уст
Он больше нормативного (1,02), значит, устойчивость плотины на сдвиг обеспечена.
В соответствии с [4] минимальное расстояние adr от напорной грани до оси дренажа определяют по формуле (4.1).
При высоте плотины 100 м располагают в ней 5 смотровых галерей размерами 2,5×3 м. Отметки галерей выбирают, м: 4; 20; 40; 60; 80. Для галерей подсчитывают минимальные расстояния до дренажа. При расчете критический градиент бетона принимают равным 15. Результаты расчета приводят в форме табл. 5.2.
Таблица 5.2
Расчетминимальныхрасстоянийдодренажа
Отметка, м
80 17 1,36
60 37 2,96
40 57 4,56
20 75,25 6,02
4 93 7,44
Hdr, м adr, м
19
По полученным минимальным расстояниям назначают конструктивные (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Схема конструкции бетонной гравитационной плотины:
1 — цементационная завеса; 2 — дренажная завеса;
3 — вертикальный дренаж тела плотины; 4 — галереи (потерны)
Выбирают схему разделения профиля плотины на зоны по рекомендациям [4] (рис. 5.5).
В глухой секции зона I (морозостойкий бетон) располагается вдоль низовой грани плотины
выше УНБ (см. рис. 5.5, а). Принимают ее ширину 5 м. Зона II располагается с верховой сторо-
ны от дренажа в зоне переменного уровня, зона III — в зоне постоянного контакта бетона с водой (с верховой стороны и со стороны подошвы). Она охватывает также галереи в бетоне.
В водосливной секции вся низовая грань относится к зоне II (рис. 5.5, б).
а б
Рис. 5.5. Схема зонирования бетона по профилю плотины:
а — глухая секция; б — водосливная секция; I–IV — зоны плотины
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]