Проектирование бетонной гравитационной плотины

Швы бетонных плотин делят на конструктивные (постоянные) и строительные (временные). Конструктивные швы, называемые также деформационными, могут быть осадочными, температурными и усадочными. Первые, разделяя сооружение на отдельные секции, должны допускать возможность их независимых перемещений как по вертикали, так и по горизонтали, без навала секций друг на друга. На скальных основаниях такие швы устраивают через 15...25 м по длине сооружения и, как правило, в местах изменения жесткости основания, резкого изменения уклонов его поверхности (точки c, d, e, f, g на рис.1, а), а также при сопряжении элементов разной массивности. В условиях скальных оснований, когда абсолютные осадки малы, а вызываемые ими перекосы секций незначительны, ширину шва определяют возможными температурными деформациями бетона (3...10 мм).

Температурные швы предотвращают трещинообразование бетона в зонах сооружения, подверженных сезонным колебаниям температуры. Такие швы могут быть сквозными, перерезающими сооружение до заданной отметки (рис. 1,б), и несквозными, В последнем случае их называют швами-надрезами. Ширину температурных швов назначают 1...5 мм из условии температурного расширения бетона. Назначение усадочных швов предупреждение образования трещин, вызванных усадкой бетона, обычно эти швы совмещают с осадочными и температурными.

Длина блока бетонирования  из условия недопущения температурных  трещин составляет 10...25 м, тогда как ширина поперечного профиля плотины может достигать нескольких десятков метров. Указанные обстоятельства обусловливают разделение плотины в пределах каждой ее секции, выделенной осадочными швами, на строительные блоки.

Строительными называют горизонтальные, наклонные и вертикальные швы между строительными блоками. Как правило, после прекращения температурных деформаций бетона такие швы омоноличивают, поэтому строительные швы являются временными. Постоянные (рис.2, а) и временные швы могут быть плоскими и ломаными - штрабчатыми (рис.2, в, г). Последние, являясь более сложными и трудоемкими, применяют, когда нужно, чтобы сдвигающее усилие, приложенное к одной части конструкции, эффективно передавалось на другую.

Конструктивные швы, допуская независимость перемещений соседних секций или их частей, должны обладать водонепроницаемостью, а также обеспечивать возможность наблюдения за работой шва и его ремонта.

Независимость перемещения  обеспечивается заданной шириной шва  и отсутствием сопротивления сдвигу к его плоскости. Обычно на скальных основаниях достаточно иметь в центральной части плотины, куда не проникают сезонные колебания температуры, шов шириной 1...3 мм и у граней плотины на глубине 3...6 м - до 10 мм (см. рис.2, в, г).

Осадочные швы устраивают следующим образом. При строительстве одни секции возводят с опережением по сравнению с другими (рис.2, б). Боковые поверхности ранее забетонированных блоков освобождают от опалубки (ограждения) л покрывают слоем жидкой битумной мастики. В зонах, где ширина шва должна быть значительной, на мастику наклеивают один или несколько слоев рулонных гидроизоляционных материалов либо износят слои асфальтовой штукатурки. После такой подготовки поверхностей они служат ограждением для среднего блока, который бетонируют «распор к ним. До укладки в блок бетонной смеси должны быть приняты меры к устройству уплотнений и дренажа полости шва.

 

 

    Рис 2.  Конструкция  осадочного шва плотины:

а – разрез по плоскости шва; б – последовательность устройства шва; в, г – план шва  плоского и штрабчатого; 1 – секции плотины; 2, 3 – заполнение

 

Заполнение шва  и специальные уплотнения, контурные (наружные н внутренние) и основные, придают ему водонепроницаемость. Внутренние контурные уплотнения обеспечивают водонепроницаемость швов вокруг галерей и других полостей в бетоне плотины. Выполняют их в виде резиновых, пластиковых или металлических полос, заделанных в бетой соседних секций и перекрывающих шов (поз. 7 на рис.2, а).

Наружные контурные  уплотнения (поз. 4 на рис.2) применяют  для снижения водопроницаемости шва, его защиты от воздействия льда и плавающих тел, попадания в полость шва загрязнений.

Основные внутренние уплотнения обеспечивают водонепроницаемость  швов плотины, воспринимая напор воды, и размещают их вблизи напорной грани (см. рис. 2). Они могут быть выполнены по типу диафрагмы 5, перекрывающей шов, аналогично внутренним контурным уплотнениям, либо в виде колодца - шпонки в полости шва, заполняемого битумными мастиками.

Воду, профильтровавшуюся через уплотнение или в обход  него, отводят дренами или (в больших плотинах) через колодец 6 (см. рис. 2), устраиваемый за уплотнением и служащий и для осмотра полости шва. При необходимости этот колодец можно использовать для устройства резервного битумного уплотнения.

 

3.4 Меры борьбы с трещинообразованием.

 

Помимо правильного  выбора цемента с малым тепловыделением  и подбора состава бетона с  минимумом содержания цемента, для предупреждения появления трещин принимают также следующие меры.

1. Охлаждение заполнителей бетона и воды (замещение части воды льдом) для затворения с тем, чтобы смесь имела пониженную температуру, тогда разность температур разогрева бетона и воздуха уменьшится, и снизятся температурные напряжения в бетоне.

2. Охлаждение бетона в теле плотины путем создания циркуляции охлаждающей жидкости (от холодильной установи) по системе труб, укладываемых в тело плотины.

3. Укладка бетона  в тело плотины отдельными  блоками ограниченных размеров  в определенном порядке с тем, чтобы тепло экзотермии быстрее рассеивалось, и новые блоки укладывались бы после того, как снизится температура уложенных блоков.

Такая разрезка плотины на блоки бетонирования является мерой наиболее доступной и экономичной по сравнению с вышеописанными мерами, и потому она обязательна для массивных гидросооружений.

 

 

                               Рис  3.  Швы разрезки плотины  на блоки бетонирования.

                                     а – с перевязкой швов; б  – столбчатые.

 

 

Разрезка на блоки  бывает трех видов: с перевязкой продольных швов (рис.3,а), столбчатая (рис.3, б) и длинными блоками. Первый способ допускается в плотинах высотой до 50 м и применен у нас на многих плотинах: Днепровской, Усть-Каменогорской и др.; второй - впервые осуществлен на Братской; третий - на Бухтарминской плотине.

Размеры блоков в перевязку по высоте не превышают 3 - 4 м, а у основания желательно 1,5 - 2 м; размеры в плане выбираются по соображениям скорейшего рассеяния тепла экзотермии и по производственным условиям обычно не более 12 - 15 м. При этом расстояние между вертикальными швами соседних рядов блоков (перевязка) не должно превышать половины высоты блоков, иначе в блоках появляются против швов разрывы.

Столбчатые  блоки разделены сплошными продольными вертикальными швами с расстоянием 12 - 20 м между ними, а по фронту плотины они ограничиваются поперечными швами плотины (15 - 20 м, см. ниже). Продольные швы замоноличиваются после остывания блоков, стенки блоков имеют выступы (штрабы) для лучшей связи с последующим нагнетанием в них цементного раствора (цементацией их) после остывания. Иногда продольные швы делаются широкими (2 - 3 м) и заполняются впоследствии бетоном. При столбчатой разрезке блоки бетонируются независимо друг от друга на значительную высоту, охлаждение их более совершенное и опасность трещинообразования меньше, чем при разрезке в перевязку.

 

Этот вид разрезки требует, однако, больше опалубки и специальной цементации швов, он целесообразен в высоких плотинах.

Длинные горизонтальные блоки делаются в плане на всю ширину плотины, но высота их не должна превышать 1,2 - 1,5 м и бетон должен быть жестким, с осадкой большого конуса до 2 см. Преимущества этого способа минимум опалубки и возможность более высоких темпов бетонирования, но жесткий бетон требует усиленной проработки и температурный режим должен строго регулироваться. Опыт применения этого способа пока невелик.

Швы между блоками  бетонирования, называемые строительными, являются ослабленными местами плотины: прочность материала в них ниже, чем в остальной массе бетона, и водопроницаемость больше. В целях повышения качества швов необходимо перед началом бетонирования следующего блока поверхность ранее уложенного очищать от грязи, от верхней тонкой пленки раствора и от остатков дефектного бетона при помощи струй воды под давлением (3 - 4 ат) через несколько часов после укладки. Расчищенную поверхность шва надо затем покрывать слоем цементного раствора (1 - 2 см), втирая его во все неровности, после чего немедленно начинать бетонирование нового блока. Поверхность строительного шва полезно делать не плоской, а штрабированной (рис. 3)  оставлять уплотняющие шпонки, например, из 40-миллиметровых досок.  

Для получения  высококачественного бетона следует  организовать строгий контроль за его приготовлением, за соблюдением заданной дозировки составных частей (лучше всего - автоматизированной), предохранять бетонную смесь при ее подаче к месту укладки от расслаивания (лучшая подача - бадьями с открывающимся дном).

 

3.5 Расчет устойчивости гравитационной плотины на сдвиг.

 

Этот расчет является весьма важным, так как в большинстве  случаев он определяет вес сооружения и объем затрачиваемых на него материалов. Расчет этот является поверочным, т. е. он проводится после предварительного подбора размеров и формы профиля плотины. Если расчет покажет, что устойчивость сооружения недостаточна, размеры плотины должны быть изменены и снова проведена проверка устойчивости.

Для расчета устойчивости плотины на сдвиг все силы, действующие  на нее (обычно рассчитывается 1 м длины сооружения), приводятся к трем равнодействующим: горизонтальной Q, вертикальной Р, направленной вниз, и W_ф (взвешивающее и фильтрационное противодавление), направленной вверх. Под действием этих сил возможны следующие виды нарушения равновесия плотины:

1)  сооружение будет сдвинуто по основанию силою Q в сторону нижнего бьефа;

2) сооружение будет поднято вверх силой W_ф.

3) сооружение будет опрокинуто силами Q и W_ф вокруг низового его ребра В.

В соответствии с этими  возможными видами нарушения равновесия плотины делаются проверки устойчивости ее 1) на сдвиг. 2) на всплывание 3) на опрокидывание. Как было отмечено выше, поверка устойчивости на сдвиг является главной.

Различают два  случая поверки на сдвиг: 1) когда  основание достаточно прочно и сдвиг происходит по контакту между плотиной и основанием и 2) когда имеет место значительная деформация основания и сдвиг плотины происходит вместе с частью основания (этот случай может иметь место, главным образом, в сооружениях на нескальном основании).

 

 

Случай  сдвига плотины по контакту (или  вблизи контакта) с основанием. Сдвигу плотины сопротивляются сила трения между подошвой плотины и основанием, пропорциональная равнодействующей вертикальных сил (Р - W_ф) и силы сцепления (а в скальных основаниях - и зацепления,   обусловленного  крупными  неровностями  скалы),  удельная  величина которой  с выражается обычно в Т/м² или в кг/см².

Степень устойчивости сооружения характеризуется обычно коэффициентом запаса на сдвиг К_с, представляющим отношение сил, сопротивляющихся сдвигу, к силам сдвигающим, а именно

                                                             (1)

где F - площадь подошвы плотины, f - коэффициент пропорциональности или параметр сдвига, зависящий от свойств основания.

Величины f и с для скальных оснований приводятся в таблице 3.

Для высоких плотны при сложных геологических условиях рекомендуется определять величины f и с с помощью опытов на месте постройки. Для слабых скальных пород (мергели, глинистые сланцы, опоки и др.) величина f бывает в пределах 0,3 - 0,5. Величины f и с для нескальных оснований определяются обычно путем лабораторных опытов с образцами грунтов основания плотины. Величина f = tgφ, где φ - угол внутреннего трения грунта, величина с в области контакта обычно принимается равной нулю и учитывается только, когда сдвиг захватывает область грунта (например, по схеме на рис. 4, г сдвиг может быть по линии ACDB).

 

Расчетные значения f и с                      

                                                                                                                            Таблица 3

Характеристика пород  основания	f	с, т/м2
Скальные породы (граниты, сиениты, песчаники и др.), практически  не выветрелые, весьма слаботрещиноватые, с временным сопротивлением более 400 кг/см2	0,75	40
Скальные породы, практически  не выветрелые, слаботрещиноватые, с  временным сопротивлением более 400 кг/см2	0,7	30
Скальные породы среднетрещиноватые, слабовыветрелые, временное сопротивление  сжатию менее 400 кг/см2	0,65	20

Плотина считается  устойчивой, если К_с ³ К_{с доп} ;величина. К_{с доп} назначается в зависимости от класса сооружения и расчетного случая от 1,05 до 1,3.