10415

где m1, m2 – заложение верхового и низового откоса; γб – объёмный вес бетона, т/м3; γв – объёмный вес воды, т/м3.

Определение напряжённого состояния ведётся в следующей последовательности [9, с. 123]:

1)на профиле плотины наносятся лучи, для которых x/y = const;

2)вычисляются коэффициенты луча x0 , 0y , xy0 , N10,2 в табличной форме

по форме (Таблица 2.2);

3)назначаются численные значения главного напряжения N1, изостаты которогодолжнабытьпостоянными(например,кратныезначенияN1 =50,100,200, 300, и т.д. т/м2);

4)вычисляются ординаты точек y N1 / N10 , главные напряжения в кото-

рых соответствуют назначенным; 5) соединением точек с ординатами и теми же значениями напряжений

строятся изостаты.

Расчёт выполняется в табличной форме, по результатам расчётов строятся изостаты (Рис. 2.6).

31

Дляпостроениятраекторииглавныхнормальныхнапряженийвычисляется угол наклона площадок действия сил к оси x. Вычисление угла θ ведётся в таблице по формуле [9, ф. 7.32]:

Напряжения площадок наносятся графически у соответствующих лучей, для этого строится вспомогательный график (Рис. 2.7), на котором откладываютсянаправления векторовпо соответствующим tgθ.Построение траектории ведётся с напорной грани [9, с. 123], проводятся короткие линии через лучи параллельно вспомогательным линиям до пересечения с биссектрисами углов между данным лучом и соседними. Полученная ломанная линия сглаживается. Она представляет собой траекторию напряжения. Все другие траектории данного вида напряжений проводятся параллельно построенной.

Полученные напряжения используются при назначении классов бетона.

32

Для выполнения моделирования плотин используются универсальные конечно элементные программы общего назначения, позволяющие выполнять моделирование работы геотехнических объектов.

В курсовом проекте используется доступные программные комплексы – Plaxis или другие согласованные с преподавателем.

Программа Plaxis 8 представляет собой специализированную двухмерную компьютерную программу, основанную на методе конечных элементов, которая используется для расчёта деформаций и устойчивости различных геотехнических объектов. При использовании Plaxis 8 решается плоская задача, считается, что рассматриваемая секция плотины нагружается равномерно, напряжения возникающие вдоль створа плотины при взаимодействии секций не учитываются.

Результаты выполненного численного моделирования (ЧМ) должны быть представлены по основным этапам.

Этап№1.Геометриямоделииеёхарактеристики.Приводитсяконечноэлементная сетка, и характеристики грунтов. В настройках материалов для задания поведениябетонаискальногогрунтавозможноиспользоватьследующие модели материалов [28, п. 3.5.3]:

Linear elastic (линейная упругая модель) используется, представляет закон Гука о изотропной линейной упругости. Модель включает два постоянных параметра жёсткости – модуль Юнга E,принимаемый равным модулю упругости материала, и коэффициент Пуасона v, которые назначаются по [6, п. 5.27] и [5], также задаются характеристики удельного веса грунта в естественном γunsat и насыщенном γsat состояниях, и коэффициент фильтрации k.

Jointed Rock model (модель скального грунта) – анизотропная упругопластичная модель, используемая для моделирования слоистых горных пород.

Запроектированная фильтрационная завеса моделируется в виде отдельногокластерагрунтасболеевысокимипрочностнымиифильтрационнымисвойствами. Так же могут учитываться дренаж в основании и теле плотины, и галереи.

34

Принятые характеристики грунтов представляются в табличной форме по слоям, номера слоёв представляются на схеме, генерируемой в программе.

Этап №2.Краевыеусловия. Описываются задаваемые граничные и начальныеусловия.Границы моделипооснованиюдолжныиметьсущественныйзапас, сопоставимый с высотой плотины. Приводятся начальные условия по вспомогательному фильтрационному расчёту, поле фильтрационного потока, фильтрационных напоров, и поровых давлений, а также условия по начальным напряжениям.

Этап №3. Расчётные исследования на модели. Описываются фазы, по которым выполнялся расчёт.

Этап №4. Анализ результатов моделирования. Приводятся результаты моделирования: деформированная сетка; поля деформаций (Total displacements), напряжений (Total stresses) главных (Mean stresses) и сдвиговых (deviatoric stress), а также их направлений (Principal direction).

Далее необходимо сравнить результаты численного моделирования с выполненнымиранееаналитическимирасчётами– сопоставитьэпюры напряжений в основании и изостаты главных нормальных напряжений с теми значениями и направлениями напряжений, которые получены моделированием. В частности необходимо откорректировать эпюру напряжений в основании (Рис. 2.5) дополнив её по данным поля декартовых полных напряжений σyy (sig-yy).

В случае появления растягивающих напряжений, которые могут возникнуть на верховой напорной грани плотины, нужно предложить мероприятия по их устранению. Зачастую появляются отрицательные контактные (плотины с основанием) напряжения у верховой и низовой грани, в таком случае нужно предложить вариант профиля плотины с уширением внизу верховой грани, выполнить его моделирование, представить полученные поля напряжений и нанести их на общую эпюру. Откорректированный профиль со всеми конструктивными элементами нужно представить для дальнейшего проектирования плотины и гидроузла с нею.

35

2.6.Назначение класса и марок бетона

Строительные материалы для бетонных плотин и их элементов должны удовлетворять требованиям [6] и [2, раздел 5].

Прочность запроектированной конструкции плотины веё условиях работы с определёнными расчётами напряжениями в ней обеспечивается устанавливаемыми показателями бетона, которыми являются следующие [6, п. 5.2]: классы бетона по прочности на сжатие B; марки бетона по морозостойкости F; марки бетона по водонепроницаемости W.

В плотинах и их элементах в зависимости от условий работы бетона в отдельных частях плотины в эксплуатационный период надлежит различать четыре зоны [2, п. 5.2]:

I - наружные части плотин и их элементов, находящиеся под атмосферным воздействием и не омываемые водой бьефов;

II - наружные части плотин в пределах колебания уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, а также части и элементы плотин, периодически подвергающиеся действию потока воды: водосбросы, водоспуски, водовыпуски, водобойные устройства и др.;

III - наружные, а также примыкающие к основанию части плотин, расположенные ниже минимальных эксплуатационных уровней воды верхнего и нижнего бьефов;

IV - внутренняя часть плотин, ограниченная зонами I - III.

Число и зональное размещение различных классов бетона в сооружении должны приниматься так, чтобы на каждом этапе возведения плотины требовалась одновременная укладка не более четырёх классов бетона [2, п. 5.11].

Границы зон располагают исходя из общей схемы разбивки профиля на блоки бетонирования [8, с. 259]. В курсовом проекте как правило плотина разделяется по высоте на четыре яруса с определёнными отметками, т.е. применяется принцип высотной зональности [8, с. 261].

36

Классыбетоновпопрочности насжатиепоярусам(или выбранной зональности классов бетона) следует принимать в зависимости от значений расчётных сопротивлений бетона Rb по таблицам [6, п. 5.13].

Расчётные сопротивления бетона Rb плотин в возрасте 180 сут (или 1 год) следует определять исходя из устанавливаемых при проектировании расчётных сопротивлений бетона Rbτ, требуемых ко времени нагружения сооружения эксплуатационными нагрузками, с учётом реального возраста который будет иметь

где γτс – коэффициент, учитывающий влияние возраста бетона на его прочность при сжатии, определяемый по [2, табл. 3];

γη – коэффициент, учитывающий различие в прочности бетона контрольных образцов и сооружений, принимаемый по [2, п. 5.13];

Rbτ – сопротивление бетона на сжатие требуемое по расчётам плотины на прочность ко времени нагружения плотины.

При расчётах общей прочности и устойчивости плотины, а также местной прочности отдельных элементов должно соблюдаться условие, обеспечивающее

где σ3 – максимальное главное сжимающее напряжение, МПа, равно максимальному значению в зоне бетонирования по результатам расчёта напряжённого состояния плотины σ3 = N1;

γn, γlc, γcd – коэффициенты надёжности по ответственности сооружения, сочетания нагрузок и условий работы плотин принимаемые согласно [1, п. 8.16] и [2, п. 8.12].

Марки бетона F по морозостойкости следует назначать в зависимости от климатических условий района строительства плотины и расчётного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания в год в соответствии с требова-

ниями [6, п. 5.7, табл. 1].

37

Марки бетона W по водонепроницаемости должны назначаться в зависимости от градиентов напора в соответствии с требованиями [6, п. 5.8, табл. 2].

Таким образом по всем ярусам бетонирования должны быть выделены зоны, для каждой из которых по Рис. 2.6 или п. 2.5.6 определены максимальные N1, по ним σ3 = N1, откуда по (2.33) Rbτ, далее по (2.32) Rb, и в итоге назначен с использованием таблицы, представленной в [6, п. 5.13, табл. 3], класс бетона по прочности, а также приведены марки по морозостойкости и водонепроницаемости. Полученное зонирование бетона необходимо представить как в текстовойрасчётной части так и на рисунке (Рис. 2.8).

2.7.Выводы по проектированию гравитационной плотины

Всоответствующем пункте курсового проекта даётся анализ результатов расчётов устойчивости и прочности плотины. Представляются ссылками на рисунки запроектированная в итоге плотина с её конструктивными элементами.

Рис. 2.8. Схема зонирования бетона по классам и маркам

38

3. МАССИВНО-КОНТРФОРСНАЯ ПЛОТИНА

3.1.Конструирование профиля и контрфорсов

Конструирование контрфорсных плотин и их элементов следует выполнять в соответствии с разделами 6 и 11 приведёнными в [2].

При выборе контрфорсной плотины предпочтение следует отдавать мас- сивно-контрфорсным плотинам [2, рис. 11], особенно в районах с суровыми климатическими условиями. Обычной формой поперечного сечения контрфорсной плотины являетсятреугольник [15,с.21],конструктивнымдополнениемкоторой является гребень плотины.

Ширина гребня плотины и превышение его над уровнем верхнего бьефа определяются аналогично гравитационной плотине (пункт 2.1).

Наклон граней плотины назначается из условия устойчивости системы плотина-основание при минимизации объёма бетона в теле плотины. Предварительно заложение напорной и безнапорной грани может быть принято на основе анализа построенных или запроектированных плотин в аналогичных условиях. Уточнениенаклонагранейплотинывыполняетсяпорезультатамрасчётовустойчивости плотины.

Примеры некоторых построенных массивно-контрфорсных плотин приве-

дён в [9, с. 344], [12, с. 312], [13, с. 295], [25, с. 281]. Анализ этих примеров и графиков [15, прил. 1, рис. 20] позволяет рекомендовать следующие заложения

с.288].Сдвоенныеконтрфорсыболеесложны сточкизренияпроизводстваработ [12, с. 313], однако имеют меньшее число контактных швов между собой, явля-

39

ющихся слабым местом плотины, а также обладают большей боковой устойчивостью, что позволяет рекомендовать их для строительства в сейсмических районах.

При проектировании контрфорсных плотин для северной строительноклиматической зоны массивно-контрфорсные плотины, как правило должны снабжаться низовым перекрытием (или теплоизоляционной стенкой) [2, п. 11.6].

Верховые оголовки контрфорсов массивно-контрфорсных плотин, как правило, следует проектировать с плоской напорной гранью. При обосновании допускается применение верховых оголовков контрфорсов с полигональным, круговымилиинымвыпуклымочертаниемнапорнойграни.Втелеоголовкаследует предусматривать дренаж [2, п. 11.3].

Толщина бетонных элементов должна назначаться с учётом возможности максимальной механизации бетонных работ и высокой интенсивности бетонирования. В зависимости от высоты плотины, условий производства работ и общегообъёма работ,минимальную толщинуэлементоврекомендуется принимать от 1,5 до 5,0 м.

Ширина секции плотины, представляющая собой расстояние между температурными швами, назначается в зависимости от климатических условий, высоты плотины, размещения турбинных водоводов (станционная плотина) и пропуска строительных расходов. Рекомендуемые размеры секций приведены (Таб-

лица 3.1) [12, с. 313], [15, с. 31].

40