10415

Гидротехнические сооружения, их конструкции и основания, как правило, надлежит проектировать таким образом, чтобы условие недопущения наступления предельных состояний соблюдалось на всех этапах строительства и эксплуатации, в том числе и в конце расчётного срока их службы [1, п. 8.20].

Расчётные сроки службы основных гидротехнических сооружений гидроузла в зависимости от их класса должны приниматься равными [1, п. 8.20]: для сооружений I и II классов – 100 лет; III и IV – 50 лет.

Расчёты гравитационных плотин разрезной конструкции, имеющих плоские постоянные поперечные швы, на прочность и устойчивость следует производить по схеме объёмной задачи теории упругости для отдельно взятой секции. Напряжённое состояние плотины следует определять для каждого вида секций (глухих, водосливных, станционных) с учётом специфики их возведения и статической работы [2, п. 10.14].

Расчётыобщейпрочностибетонныхгравитационныхплотинвыполняются на полный состав нагрузок и воздействий основных и особых сочетаний в соот-

ветствии с [2, п. 7.2 - 7.4].

Расчёты устойчивости сооружений на скальных основаниях, скальных откосов и склонов следует выполнять по схемам сдвига по плоским или ломаным расчётным поверхностям [5, п. 7.17].

В курсовом проекте расчёты выполняются для предварительной стадии проектирования – для обоснования типа плотины, поэтому достаточно выполнить расчёт на общую прочность и расчёт на устойчивость системы «плотинаоснование» по схеме плоского сдвига по подошве плотины при основном сочетании нагрузок эксплуатационного периода.

2.5.2. Нагрузки

При расчёте плотины на основное сочетания нагрузок и воздействий следует учитывать силы приведённыев [2,п. 7.2],среди которых вданномкурсовом проекте плотины на скальном основании рассматриваются:

21

постоянные нагрузки и воздействия:

-собственный вес сооружения;

-силовое воздействие воды при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа и уровне нижнего бьефа, соответствующем пропуску через сооружение минимального расхода:

-давление воды на верховую и низовую грани плотины;

-силовоевоздействие фильтрующейсяводы (взвешивающие и фильтрационное давления); кратковременные нагрузки и воздействия:

-нагрузки и воздействия от волн, устанавливаемые в соответствии с их ежегодной вероятностью превышения в зависимости от класса сооружения;

-нагрузки от льда толщиной, устанавливаемой всоответствии сих ежегодной вероятностью превышения в зависимости от класса сооружения;

Расчётное значение нагрузки определяют умножением нормативного значения нагрузки на соответствующий коэффициент надёжности по нагрузке γf [1, п.8.17].Значениекоэффициентовнадёжностипонагрузкеγf прирасчётахпопредельным состояниям первой группы следует принимать в соответствии с [1, прил. Д].

При расчёте общей прочности и устойчивости плотин коэффициенты надёжности по нагрузке для собственного веса, должны приниматься равными единице [2, п. 7.9].

Таким образом значения коэффициентов по нагрузке приняты равными единице [2, п. 7.9], [1, прил. Д], за исключением ледовой, для которой γf = 1,1 [1, прил. Д].

Собственный вес элементов плотины определяется исходя из геометрической формы и плотности бетона

где F– площадь элемента, м2; ρб – плотность бетона [2,п. 7.10], т/м2; Lc – длина расчётной секции, м.

22

Давление воды на верховую и низовую грани плотины можно разложить на горизонтальную составляющую – гидростатическое давление Tи вес воды Gв; Гидростатическое давление воды T вычисляется по известным формулам

гидравлики

где H – пьезометрический напор над расчётным сечением; ρв = 1 т/м3 – плотность воды.

Cиловое воздействие фильтрующейся воды определяется по [2, п. 7.13, 7.14]. При этом в курсовом проекте учитываются силы гидродинамического давления фильтрационного потока на подошву плотины, которые при горизонтальной подошве можно разложить на вертикальные силу взвешивающего давления под воздействием нижнего бьефа Wвзв и фильтрационного давления под действием расчётного напора Wф [2, п. 7.14]. Ординаты гидродинамического давления определяются по [2, рис. 7] и [2, табл. 5] или по результатам фильтрационного расчёта [2, п. 8.19 – 8.24], [5, п. 8.2], по результатам одних из которых для проектируемой плотины строится эпюра фильтрационного давления, представленная Рис. 2.5.

Взвешивающее давление Wвзв определяется в зависимости от уровня воды

где B – ширина плотины по основанию; Ht – заглубление подошвы плотины под уровень нижнего бьефа.

Сила взвешивающего давления определяется по площади эпюры фильтра-

23

Волновое давление Твл определяется по [4, п. 5.13, 5.14]. Горизонтальная нагрузка на вертикальную стену Px, кН/м, при воздействии стоячей волны определяется для случая для случая "б", указанного в [4, Г.1] (при возвышение свободной волновой поверхности ηс, соответствующему максимальному значению горизонтальной волновой нагрузки), принимается по эпюре волнового давления; при этом ординаты эпюры волнового давления p, кПа, на глубине z, м, следует определять по формулам [4, табл. Г.1], а численные значения входящих в них коэффициентов–пографикам[4,рис.Г.2].Длярасчётнойсекциисилаволнового давления определится:

Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения определяются на основестатистических данных [4, п. 7.1],в отсутствии которых в курсовомпроекте определяется статическое давление льда по формуле [12, с. 40]

где kL – коэффициент, снижающий силу давления льда с увеличением протяжённости ледяного покрова [12, с. 40]; hл – максимальная толщина льда обеспеченностью определяемой по [4, п. 7.1], Pл – удельное давление, льда назначаемое по [12, с. 41].

Сила давления льда прикладывается ниже расчётного уровня на 0,3 толщина льда [12, с. 39].

Из двух последних нагрузок (Твл и Тл) для расчёта выбирается одна – максимальная, т.к. одновременно они не могут быть.

При расчёте нагрузок приводятсярасчётные формулы со значениями, и далее нагрузки для расчёта сил и моментов, действующих на расчётную секцию, сводятся в таблицу, пример которой приведён (Таблица 2.1). Площади фигур и эпюр, а также их центры тяжести могут определятся с использование AutoCAD, команды «Геометрия и масса». Приводится расчётная схема (Рис. 2.5).

24

Таблица 2.1 Расчёт сил и моментов, действующих на расчётную секцию плотины (пример)

2.5.3. Устойчивость на сдвиг

Расчёт устойчивости гравитационных плотин на сдвиг выполняется согласно [5]. Устойчивость плотины должна рассматриваться как по контакту сооружения с основанием, так и по другим возможным расчётным поверхностям сдвига, полностью или частично проходящим ниже подошвы плотины [2, п. 10.24].

Рассматривается поступательный сдвиг [5, п. 7.17] по горизонтальной плоскости с отметкой подошвы плотины.

25

Критерием обеспечения устойчивости является условие [5, п. 7.2]

Праваячастьнеравенства(2.18)определяющегоздесьвитогеобъёмсооружениянедолжнапревышатьеголевуючастьболее,чемна10%[2,п.8.12],иначе необходимо уменьшить объём бетона в плотине и выполнить расчёт заново.

Величины, входящие в условие устойчивости (2.18), необходимо опреде-

i 1

где T – активная сдвигающая сила (проекция равнодействующей расчётной нагрузки на направление сдвига);

Pi – равнодействующая нормальных напряжений (сил), возникающих на i-м участке поверхности сдвига от расчётных нагрузок;

Rg – сила сопротивления, ориентированная против направления сдвига, возникающая от анкерных усилий и т.д.;

n – число участков поверхности сдвига, назначаемое с учётом неоднородности основания по прочностным и деформационным свойствам;

tg I,II,i и cI,II,i – расчётные значения характеристик скальных грунтов для i-го участка расчётной поверхности сдвига, определяемые в соответствии с требованиями раздела 5 [5];

Ai – площадь i-го участка расчётной поверхности сдвига, A=Lc B;

Ed – расчётная сила сопротивления упорного массива (обратной засыпки), определяемая по [5, п 7.23].

27

В условиях, рассматриваемых в курсовом проекте, R может быть определена по сокращённой записи исходного уравнения

где P – сумма вертикальных сил, т;

A – площадь подошвы расчётной секции, м2, A = Lc B;

tg I,II и cI,II – расчётные значения характеристик скальных грунтов ос-

нования, значения которых можно принять для рассматриваемой стадии проектирования по [5, п. 5.38] и [5, табл. 5].

2.5.4. Напряжения в основании плотины

Расчёты прочности плотин IV класса допускается выполнять методами сопротивления материалов [2, п. 10.21] исходящих в отличие от методов теории упругости из гипотезы линейного распределения напряжений. В методах сопротивления материаловсчитается,что материалтела абсолютно твёрдый,и именно только для таких материалов выполняется статический расчёт. В таком случае напряжения на поверхности контакта плотины с основанием определятся по формуле внецентренного сжатия

где М – сумма моментов действующих сил относительно середины сечения; W – момент сопротивления подошвы расчётной секции

28

Rc – предел прочности отдельности скального грунта на одноосное сжатие [5, п. 5.35], определяется инженерно-геологическими изысканиями (при отсутствии данных изысканий может быть принят по [5, табл. 5]).

В случаях, когда условие (2.24) не выполняется, т.е. σmin < 0 необходимо изменить профиль плотины или разработать другие мероприятия, устраняющие растягивающие напряжения в основании.

На характер распределения напряжений существенно влияет соотношение между модулями упругости материала плотины Еп и основания Ео [9, с. 132 – 134], [25, с. 177], а также само напряжённо-деформированное состояние плотины, поэтому результаты полученные по формуле (2.22) ориентировочны и их для приведения в соответствие требованиям [2, п. 10.14] следует уточнить с использованием расчётов методами теории упругости, выполнить которые можно либо приближёнными методиками [9, с. 120], [25, с. 164], либо возможно выполнить в полной мере с использованием компьютерного моделирования в программных продуктах на основе численных методов.

2.5.5. Расчёт напряжённого состояния плотины треугольного про-

филя

Согласно требованиям [2, п. 10.7] определение напряжений в плотине осуществляется методом теории упругости.

Используется методика расчёта плотины треугольного профиля методом теории упругости [9, с. 120]. Предпосылками метода теории упругости являются

–сплошность(отсутствие трещин)иизотропностьматериаласооружения,отсутствие напряжений в нём до приложения расчётных нагрузок и подчинение материала закону Гука.

Решения методики получены для следующих условий:

- профиль рассматривается в виде бесконечного клина с вершиной на отметке УВБ;

29

-действующими нагрузками являются гидростатическое давление и собственный вес плотины;

-решения даются для условий плоской задачи, когда рассматривается вертикальное плоское сечение, а силы, нормальные к нему (напряжения вдоль створа) не влияют на распределение напряжений в плоскости выделенного элемента, и не учитываются.

Для характеристики напряжённого состояния плотины строятся изостаты главных напряжений (в курсовом проекте рассматриваются только главные нормальные напряжения N1) и их траектории.

Главные напряжения в точках профиля определяются из зависимостей [9,

ф. 7.30]:

где a1, a2, a3, b1, b2, b3, – коэффициенты, зависящие от заложения граней плотины и плотности бетона и воды, в случае заполнения водохранилища водой определятся [9, ф. 7.19, 7.20, 7.22]

30