автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Новые конструктивно-технологические решения бетонных плотин

УКРАИНСКИ Г0СУДДРСТББ11ШЙ 1ЦШГПЮ-КЗ!ШТдаКИЯ-Л п И ШКГПУКТОРСКИЯ ИНСТИТУТ "У1Г?ГИДГОЛ?Сг1ГГи

На .правах рукописи

Юрий Александрович ЛАНДАУ

Новь"' гструктивно-технологические решения бетонных плотин

......Спецназа..........--Гидротехническое •

и мелиораа троительство

---------------Д-И-С-в-В Р-Т-А-Ц-й-Я-----------------*-------------

в виде научного доклада -- -

на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург • 1995 г. -

Официальные оппоненты: доктор технических наук i профессор Васильев П.К.

доктор технических наук профессор Храпков A.A.

доктор технических наук -профессор Шайтанов В.Я.

Ведущая организация: "Гицропроект"

Защита состоится 1996 г. в 16 часов

на заседании диссертационного Совета Д.063.38.19 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу; 1953251, Санкт-Яетербург, Политехническая ул., 29, " гидрокорпус, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЛбИУ. Диссертация в вице научного доклада разослана " " _1995 г

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук,

доцент \ З.К.Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость более полного использования возобновляемых источников энергии, в первую очередь освоения высокоэффективных гидроэнергоресурсов, резкое увеличение потребности в воде на водоснабжение, орошение вызывают во всем мире интенсивное строительство водохранилищ, для чего широко применяются бетонные плотины, которые строятся з сложных природных условиях, включая неблагоприятные геологические и суровые климатические условия, высокую сейсмичность.

В нашей стране, занимающей одно из ведущих мест в мире в бетонном плотиностроении, построены плотины разных типов, включая гравитационные, облегченные, контрфорсные и ячеистые, арочные, разработка и научное обоснование которых выполнялось ведущими проектными, исследовательскими и учебными институтами, такими как Гидропроект, Ленгидропроект, Укргидропроект, Оредазгидропроект, Оргэнергострой, Гидроспецпроект, ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, НИИЭС, институт гидромеханики АН Украины, МИСИ, МГМИ, Санкт-Петербургский Государственный технический Университет, УИИВХ и др.

Экономически эффективный гидроэнергетический потенциал России использован на 20%, Украины - на 50%, что ниже, чем во многих странах Европы, например, во Франции, Италии, Швеции этот показатель составляет от 65 до 90%. В России строительство ГЭС с бетонными плотинами предусматривается в основном в районах Сибири и Дальнего Востока. В одобренной Минэнерго Украины программе развития гидроэнергетики до 2010г. предусматривается строительство ГЭС, в том числе с бетонными плотинами на реках Тиса, Днестр и др. Широкое развитие также получит строительство и реконструкция малых ГЭС, эффективность которых подтверждает опыт стран Западной Европы, США, Китая.Организации Минэнерго Украины ¡акже участвуют в проектировании и строительстве ряда ГЭС с бетонными плотинами в Китае, Вьетнаме.

Анализ опыта мирового плотиностросния показывает, что применение о последние десятилетия новых конструктивно-технологических решений бетонных плотин, включая использование технологии укатанного бетона, позволило повысить их эффективность и конкурентоспособность. Строительство бетонных плотин требует больших капиталовложений и ресурсов. Поэтому, несмотря на известные достижения в бетонном плотиностроении, актуальной проблемой является разработка, обоснование и внедрение конструктивно-

технологических решений, обеспечивающих высокую экономичность, надежность, снижение сроков строительства.

Целью работы является разработка новых конструктивных решений бетонных плотин, методики расчета и высокотехнологичных процессов их возведения, направленных на повышение экономической эффективности и эксплуатационной надежности.

Для реализации поставленной цели решались основные задачи: - разработки новых конструкций гравитационных плотин различных типов, ячеистых, комбинированных и арочных плотин;

- разработки новых решений сопряжения бетонных плотин со скальным основанием;

разработки методики расчета и исследования напряженно-деформированного состояния новых конструкций: гравитационной плотины из укатанного бетона и плотины с бетонным понуром, плотины при наращивании по новому способу, ячеистых сооружений из плит, составной арочной плотины;

- разработки технологии возведения и исследования экономической эффективности новых конструкций гравитационных плотин из укатанного бетона и составной арочной плотины из укатанного бетона, ячеистых сооружений из плит, наращивания и строительства в две очереди плотин по новому способу;

- внедрения результатов разработок и исследований в практику проектирования и строительства.

Методы исследований. Выполненный комплекс работ включает разработку методики расчета и исследование напряженно-деформированного состояния ряда новых конструктивно-технологических решений бетонных плотин, для чего применялись теоретические и экспериментальные методы. При выводе теоретических зависимостей и исследованиях напряженно-деформированного состояния использовались решения составной балки с упругими связями и метод конечных элементов, а экспериментальные исследования проводились на физических моделях. При исследовании экономической эффективности использована методика, основанная на сравнительной оценке основных технико-экономических показателей.

Достоверность научных и практических разработок определялась путем сопоставления теоретических данных с натурными наблюдениями при эксплуатации сооружений, с экономическим эффектом при их строительстве, а

также результатами технико-экономических исследований с альтернативными решениями при внедрении разработок в проекты.

Научная новизна работы заключается в разработке новых конструктивных и технологических решений бетонных плотин, что подтверждается 23 авторскими свидетельствами на изобретения (2, 4, 8, 12, 13, 16 - 18, 20 - 24, 26 - 40), в разработка методики расчета и исследовании напряженно-деформированного состояние и экономической эффективности новых решений: гравитационных плотин и составной арочной плотины из укатанного бетона, плотин с бетонным понуром, при наращивании плотин по новому способу, ячеистых сооружений из плит.

Новизна разработанных конструкций плотин, технологий их возведения и наращивания, обеспечивая сокращение сроков строительства, трудозатрат и стоимости, повышение экономической эффективности, эксплуатационной надежности, позволяет:

повысить конкурентоспособность бетонных плотин;

расширить область применения в бетонном плотиностроении технологии укатанного бетона;

дать начало новому направлению в наращивании бетонных плотин.

Практическая значимость работы и ni i одре нив рв з у л ьтат о о^ Разработаны новые конструкции бетонных плотин, технологии их возведения, методики расчета и проведены их исследования, получены рекомендации, использованные в практике проектирования и строительства.

Основные результаты работы:

- нашли гюиментио при обосновании проектных решений по оптимизации ячеистых устоев Каневской ГЭС, что обеспечило снижение их сметной стоимости на 100 тыс.руб. (в ценах 1969 г.) и трудозатрат на 12%, перемычки комбинированной конструкции Александровского гидроузла со снижением стоимости на 16%;

- позволяют проектировать ячеистые конструкции из плит для различных сооружений, рекомендовать их применение для устоев гидроузлов, сооружений малых ГЭС и небольших водохозяйственных гидроузлов, ограждающих сооружений верховых водоемов ГАЗС;

- использованы при проектировании расширения гидроузла в КНР с наращиванием плотины с 40 м до 115 м, благодаря чему можно снизить стоимость на 13%, получить в период строительства дополнительную выработку электроэнергии 400 млн.кВт-час., и рекомендовать такой способ для использования в строительной практике;

- позволяют проектировать сооружения с новыми эффективными конструктивно-технологическими решениями гравитационных и арочных плотин из укатанного бетона, гравитационных плотин с бетонным понуром, рекомендовать их для практического применения при проектировании перспективных гидроузлов.

От внедрения результатов выполненных разработок в практику строительства получен значительный экономический эффект, а реализация в дальнейшем новых эффективных разработок будет способствовать совершенствованию бетонных плотин, повышению их технологичности, экономичности и надежности, что имеет важное народно-хозяйственное значение.

Автор был руководителем и ответственным исполнителем этих разработок. В работах, опубликованных в соавторстве, ему принадлежат основные идеи конструктивно-технологических решений, методологии исследований, обобщение научных результатов. При внедрении новых разработок в проекты, их обосновании, проведении исследований и расчетов работы выполнялись совместно с автором специалистами Укргидропроекта.

На защиту выносятся:

- новые конструкции бетонных плотин - гравитационных из укатанного бетона, комбинированных, арочных;

- методика расчета, исследования напряженно-деформированного состояния и экономической эффективности новых конструкций гравитационных плотин, составных арочных, плотин при наращивании по новому способу, ячеистых из плит;

- новые решения сопряжения плотин со скальным основанием с устройством бетонного понура, исследования их экономической эффективности и напряженно-деформированного состояния, анализ влияния разных внешних воздействий на надежность их работы;

- оптимизированные конструктивно-технологические решения ячеистых сооружений из плит, апробированные опытом строительства;

- технология возведения новых конструкций гравитационных плотин и составной арочной плотины из укатанного бетона;

- новый способ наращивания, строительства в две очереди бетонных плотин, апробированный при проектировании расширения гидроузла.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Республиканских, Всесоюзных совещаниях, а также на Международных симпозиумах.

В частности, они апробировались на :

- Всесоюзном совещании по применению сборного железобетона в гидротехнических сооружениях, 1965г., г.Киев.

- Всесоюзном координационном совещании по предельным состояниям гидротехнических сооружений, 1968г.

- 2,3 и 5 научно-технических конференциях и совещаниях Гидропроекта, 1972-1987гг., г.Москва.

- Всесоюзном научно-техническом совещании "Состояние и перспективы развития гидроэнергетики. Научно-технический прогресс в проектировании и строительстве важнейших гидроэнергетических объектов", 1988г., г.Черемушки.

- Всесоюзном научно-техническом совещании "Опыт проектирования и контроль надежности эксплуатации бетонных гидротехнических сооружений", 1989г., г.Кара-Куль.

- Международном симпозиуме по плотинам из укатанного бетона в КНР, 1991г., г.Пекин.

- Международном симпозиуме по арочным плотинам в КНР, 1992г, г.Нанкин.

Публикации. По теме научного доклада автором опубликовано 45 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 28 изобретений, находится в печати а издательстве "А.А.ВА!кета" монография.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе на основе анализа опыта и тенденций современного бетонного плогиностроения разработаны новые конструктивные и технологические решения гравитационных, ячеистых, комбинированных и арочных плотин. Разработаны методики расчета, проведены исследования напряженно-деформированного состоянии и экономической эффективности для таких решений, включая гравитационные плотины и составную арочную плотину с использованием технологии укатанного бетона, гравитационные плотины с бетонным понуром, ячеистые конструкции из плит, способ наращивания гравитационных плотин. Применение таких решений позволяет повысить экономическую эффективность и эксплуатационную надежность бетонных плотин, а также расширить область применения в бетонном ллотиностроении технологии укатанного бетона.

1. ПРОБЛЕМЫ СТРОИТЕЛЬСТВА БЕТОННЫХ ПЛОТИН

Анализ современных тенденций развития бетонного плотиностроения показывает, что совершенствование конструктивно-технологических решений плотин идет по двум основным направлениям:

путем разработки массивных конструкций простой формы, чем достигается максимальное упрощение технологии возведения;

за счет разработки тонкостенных конструкций сложной формы со снижением объема и более полным использованием прочностных свойств бетона, а также применением сборных элементов.

Хотя первое направление получает явный приоритет, однако оба эти направления, развиваясь, дополняя друг друга, обеспечивают совершенствование бетонных плотин. Большой вклад в развитие бетонного плотиностроения внесли А.Коин, К.Семенца, К.Марчелло, С.А.Березинский, А.Б.Васильев, П.И.Васильев, М.М.Гришин, Т.П.Доценко, Л.А.Золотов, Л.И.Дятловицкий, Н.А.Малышев, А.Н.Марчук, Ю.Б.Мгалобеяов, А.Л.Можевитинов, К.К.Кузьмин, С.А.Кузьмин, В. Д.Новоженин, В.Г.Орехов, Н.П.Розанов, Н.С.Розанов, И.Б.Соколов, О.А.Савинов, А.А.Храпков, А.В.Швецов и другие.

Внедрение в строительную практику технологии укатанного бетона, применяемой с начала 80-х годов, и позволившей объединить известные преимущества бетонных плотин с технологией, скоростными методами возведения плотин из грунтовых материалов и одновременно эффективно решить задачу отвода тепла экзотермии, значительно повысило их конкурентноспособность. Новая технология вобрала в себя также достижения и опыт дорожного строительства и аэродромостроения, где широко применяются малоцементные бетонные смеси, укатываемые катками. За короткий срок эта технология получила стремительное развитие, чему способствовали работы В.Валингфорда, Д.Рафаэля, Моффета, А.Т.Ричардсона, М.Р.Дунстина, В.(И.Боярского, А.И.Вайнберга, В.В.Конько, В.Л.Купермана, Л.И.Кудоярова, Е.А.Когана, И.С.Моисеева, А.Д.Осипова, В.Б.Судакова, Л.А.Толкачева, В.И.Телешова, Л.П.Трапезникова, В.Е.Федосова, К.И.Чикваидзе, В.Я.Шайтанова, В.С.Шангина и других. Опыт строительства и эксплуатации плотин из укатанного бетона, а их к 1993г. построено более 90, свидетельствует о их надежности и существенных преимуществах:

Применение малоцементных жестких бетонных смесей со сравнительно низким тепловыделением позволяет бетонировать сооружение блоками больших размеров без сложных мероприятий по регулированию температурного режима, обеспечивается возможность движения механизмов сразу же

после укладки ^уплотнения слоев бот она, что характеризует его как более технологичный материал. Высокая прочность укатанного бетона на сжатие (от 10 до ЗОМПа) и достигаемые знамения сдвиговых показателей горизонтальных швсв позволяют применять его при строительстве высоких гравитационных и арочных плотин.

Использование простых технологических схем и высокопроизводительной техники, сокращение до минимума сложных и трудоемких вспомогательных операций (опалубочные работы, подготовка блоков и др.) обеспечивает высокую интенсивность, сокращение сроков строительства и повышение эффективности бетонных плотин.

В практике строительства наиболее широко применяются плотины из укатанного бетона с устройством верховой зоны из вибрированного бетона и с поярусной схемой возведения, которая основывается на технологически жесткой связи укладки бетона наружной и внутренней зон, что осложняет вцелом технологию. .Имеющийся опыт применения укатанного бетона показывает, что для реализации потенциальных преимуществ такой технологии требуется поиск и разработка новых конструктивно-технологических решений, позволяющих аффективно использовать укатанный бетон.

С позиции надежности о системе "плотина-основание'' зона контакта является ответственнейшим и наиболее уязвимым местом. Вопросы сопряжения плотин с основанием рассматриваются в работах Л.Мюллера, К.Терцаги, Э.А.Александровской, И.Ф.Блинова, Э.Г.Газиева, Г.С.Гейнац, В.Н.Дурчевой, Э.С.Калустяна, Л.И.Малышева, П.П.Миргородского, Д.П.Прочухана, Д.Д.Сапегина, А.И.Савича, С.А.Фрида, Ю.А.Фишмана, А.И.Царева, С.Я.Эйдельмзна и других исследователей. Выполненные этими авторами теоретические и экспериментальные исследования, а также натурные наблюдения показывают, что под напорной гранью в основании высоких плотин при эксплуатационных нагрузках имеют место растягивающие напряжения. Формирование зоны разуплотнения может привести к образованию или раскрытию в скальном основании ¡рещин, нарушению сплошности цем-завесы и развитию неблагоприятных фильтрационных явлений, что потребовало в ряде случаев выполнения в процессе эксплуатации ремонтных работ, снижения уровня водохранилища. Анализ аварий бетонных плотин показывает, что наиболее частой причиной их разрушения (около 50%) является именно нарушение устойчивости и прочности основания и контактной зоны.

По данным исследований формируемая под верховой гранью плотины разуплотненная область основания тем меньше, чем ииже модуль деформа-

ции скалы. Однако, традиционное решение подземного контура плотин с цементационной завесой со стороны верховой грани приводит к повышению модуля деформации скалы в этой области. Расчетные исследования с устройством в верхнем бьефе бетонного понура с противофильтрационными завесами, проведенные П.П.Миргородским, А.Л.Можевитиновым и др., показали, что при этом улучшается напряженно-деформированное состояние контактной зоны и фильтрационные условия в основании плотины. Благодаря устройству бетонного понура удалось предотвратить угрозу разрушения ряда построенных плотин. Однако, сложным вопросом является обеспечение совместной работы и надежного сопряжения плотины с понуром, отрезанном от плотины деформационном швом.

Одной из разновидностей гравитационных плотин можно считать ячеистые конструкции, у которых достигается значительное снижение объема бетона, а для упрощения технологии возведения используется сборный железобетон. Применение сборного железобетона в плотиностроении рассматривается в работах Т.Л.Вархотова, А.К.Вахромеева, Ю.В.Гонтаря, В.Х.Гольцмана, В.И.Зерюкова, С.И.Карелина, А.П.Кириллова, И.А.Сулейманова и других. Для ячеистых конструкций основными вопросами остаются выбор оптимальных параметров сборных элементов и стыков, обеспечивающих надежность работы и технологичность.

Арочные плотины при минимальных объемах и эффективном использовании прочностных свойств характеризуются более сложной технологией. Развитию, этого направления способствовали работы С.С.Антонова, В.И.Бронштейна, Г.Ю.Бердичевского, Л.А.Г ордона, А.И.Ефименко, В.Ф.Иванищева, Л.Е.Когана, И.Е.Ломова, Л.А.Розина и других. Для дальнейшего повышения их эффективности важное значение приобретает разработка новых конструктивно:технологических решений, обеспечивающих совершенствование технологии, включая внедрение укатанного бетона, а также улучшение напряженно-деформированного состояния.

При возведении бетонных плотин широкое применение нашла схема поэтапного возведения, позволяющая снизить объем бетона 1 очереди до минимума. Недостатками такой схемы являются усложнение как условий возведения, так и совместной работы частей плотины при действии эксплуатационных нагрузок с учетом температурно-усадочных явлений и различия упру-гопластичных свойств старого и нового бетона. При поэтапном возведении целесообразен поиск решений по упрощению технологии с использованием укатанного бетона.

На основании проведенного анализа, исходя из опыта'отечественного и мирового плотиностроения и" современных тенденций, сформулирован ряд основных проблем, решение которых позволяет повысить эффективность и надежность бетонных плотин

2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН

Плотины из укатанного бетона. Для улучшения применяемой технологии возведения плотин из укатанного бетона следует обеспечить возможность независимого выполнения наружной и внутренней зон. Эта задача решается в новых конструкциях плотин [24,30,31,37], где между верховой и внутренней зоной выполняются сборные бетонные элементы трапецеидального сечения, у которых по торцевым граням устраиваются полости-дрены, образующие совместно со швами между элементами единую дренажную систему (рис.1). Эти элементы по своей конфигурации и параметрам аналогичны сборным элементам, используемым на практике для образования низовой

а) б) ......■ " л ""

1-верховая зона; 2-внутренняя зона из укатанного бетона; 3-сборные элементы; 4-полосги-дрены; 5-выступ*ребра; 6-штрабы-полости; 7-замоноличивающий бетон.

зоны плотин из укатанного бетона, например, на Ташкумырской ГЭС. Сборные элементы своими верховыми гранями образуют поверхность, с которой сопрягается верховая зона из обычного бетона или экран, а низовыми гранями - ступенчатую пилообразную поверхность, обеспечивающую надежное сопряжение с внутренней зоной плотины из укатанного бетона. При выполнении верховой зоны из вибрированного бетона для достижения надежного сопряжения верховая грань сборных элементов может выполняться с устройством выступов-ребер или с наклоном в сторону верхнего бьефа и смещением вышележащих элементов в сторону нижнего бьефа с образованием их верховыми гранями ступенчатой поверхности (рис.Ча.б).

В такой плотине сборные элементы с незамоноличенными швами между ними связывают верховую зону с внутренней зоной в единое сооружение и обеспечивают их совместную работу. При этом ширина сборного элемента, определяющая длину незамоноличенного шва, составляет порядка 1м, то-есть менее 0.15-0.3 ширины верховой зоны. Надежность работы плотины при действии эксплуатационных нагрузок определяется условиями сопряжения верховой и внутренней зон со сборными элементами, работы собственно сборного элемента при передаче усилий от верховой внутренней зоне. Можно представить работу такой плотины по схеме составной консоли, заделанной в основание и состоящей из верховой и внутренней зоны, причем роль связей между ними выполняют сборные элементы [3,5]. Такие связи работают как бесконечно жесткие связи сдвига и поперечные связи, благодаря чему в целом напряженное состояние такой составной конструкции по сравнению с монолитной не должно существенно меняться.

Для проверки напряженного состояния в зоне горизонтальных незамо-ноличенных швов были проведены исследования методом конечных элементов (МКЭ) плотины высотой 88м при действии основных нагрузок. При этом в зоне сопряжения и сборных элементов принималась сгущенная сетка КЭ с наибольшим сгущением в примыканиях к горизонтальным швам, а через шов не передавались нормальные и касательные напряжения. В результате исследований установлено (рис.2), что влияние горизонтальных незамоноли-ченных швов сказывается в основном в зоне сборного элемента и его сопряжения на участке длиной 0.5 ширины шва, где несколько искажаются эпюры нормальных сжимающих и касательных напряжений. При этом обеспечивается в полной мере передача горизонтальной нагрузки сборными элементами от верховой к внутренней зоне. Сжимающие напряжения на напорной грани увеличиваются на 2-5% в средней и верхней частях плотины.

Технологическая схема возведения плотины предусматривает [41]. опережающее бетонирование внутренней зоны путем пояоусмой установки сборных эг,вменю» высотой порядка 1м и послойной учладки и уплотнения бетона внутренней зоны в каждом ярусе. Сборные элементы следующего яруса устанавливаются на предыдущий без специальной подготовки, их форма обеспечивает устойчивое положение без дополнительных креплений. При угле наклона внутренней грани сборного элемента около 45° достигается надежное примыкание к ней слоев укатанного бетона и уплотнение зоны примыкания виброкатками. Укладка вибрированного бетона верховой зоны ведется с отставанием, практически, независимо от бетонирования внутренней зоны в наиболее благоприятный период. При этом бетонирование производится обычным методом однослойными или многослойными блоками, что позволяет тока oo^ ратить количество горизонтальных строительных швов на напорной грани. При такой схеме два технологических потока, использующие разные методы бетонирования, не связаны между собой. Независимое выполнение в первую очередь внутренней зоны плотины по единой технологии укатанного бетона обеспечивает устойчивость процесса бетонирования, наиболее благоприятные условия для поточной укладки бетона с-полной комплексной механизацией работ, позволяя оптимизировать

условия возведения и достичь высокой интенсивности, причем одновременно сборными элементами образуется дренажная система плотины, что также упрощает работы.

Дальнейшее упрощение схемы возведения возможно б новой конструкции [32] при образовании верховой зоны с использованием сборных элементов трапецеидального сечения, у которых по боковым граням выполнены штрабы-полости и полости-дрены, располагающиеся друг за другом в направлении с верхнего бьефа в нижний (рис.1 в). Верховая зона образовывается заполнением штраб-полостей замоноличивающим бетоном, в качестве которого целесообразна укладка литого бетона. Объединенные замоноличивающим бетоном в единую верховую зону сборные элементы обеспечивают ее совместную работу с внутренней зоной плотины, а также водонепроницаемость сооружения. Такие решения могут быть эффективными в теплых и умеренных климатических условиях.

При независимом возведении верховой и внутренней зон создаются дополнительные преимущества при строительстве плотин в суровых климатических условиях [45]. Учитывая, что в зимний период для недопущения замораживания укатанного бетона в раннем возрасте требуются достаточно сложные мероприятия (отапливаемые шатры или устройство надежной теплоизоляции поверхности уложенного бетона), внутреннюю зону предпочтительнее возводить в теплое время года, в связи в чем практически на всех плотинах из укатанного бетона в зимний период бетонирование прерывалось. При возведении в таких условиях плотины предлагаемой конструкции бетонирование внутренней зоны выполняется в теплый период года с максимальной интенсивностью по единой технологии укатанного бетона. Верховую зону бетонируют независимо с отставанием от внутренней зоны и продолжают работы в зимний период с использованием теплой опалубки верховой гна;-..! и шатра, габариты которого незначительно меняются по мере роста плотины, а все работы также ведутся по единой технологии. При этом можно значительно сократить или исключить специальные мероприятия по отводу тепла экзетермии. В целом достигается оптимизация технологии возведения и сокращение сроков. Как показывают расчетные исследования термонапряженного состояния плотины, выполненные А.П.Епифановым и другими, при бетонировании верховой зоны шириной 7м в зимний период по аналогичной схеме при температурном режиме с симметричным характером эпюры температур обеспечивается постоянный контакт между верховой и внутренней зонами, а при переохлаждении верховой грани происходит раскрытие шва

между зонами, при цементации которого на верховой грани возникают-до-------

полнительные сжимающие-напряжения эксплуатационный период. Такая схема, обеспечивающая возможность регулирования температурного режима, позволяет сформировать требуемое термонапряженное состояние верховой зоны и обеспечить совместную работу с внутренней зоной.

В суровых климатических условиях в эксплуатационный период температурные напряжения в теле плотины зимой приводят к раскрытию горизонтальных блочных швов (образованию трещин) со стороны низовой, а также верховой граней плотины. Их глубина с низовой грани может достигать 5м, в связи с чем расчетное сечение несущего профиля плотины уменьшается, и бетон этой зоны, практически, выполняет роль теплозащитного слоя и гравитационной пригрузки. Известны решения, предусматривающие укладку специального теплоизолирующего материала со стороны низовой грани (ячеистый бетон и др.), что значительно усложняет технологию работ. Для таких условий могут применяться новые конструкции глухих плотин [36,39], в которых предусматривается устройство параллельно низовой грани плотины наклонной стенки из сборных элементов с заполнением грунтом образованной полости (рис.3). Для упрощения конструкции полость может быть образована из сборных ячеистых блоков, у которых плоские продольные плиты, выполненные с наклоном в противоположные стороны, с одной стороны, являются опалубкой для укатанного бетона, а с другой - образуют низовую грань плотины. Такие блоки, могут собираться из плоских плит и иметь минимальный объем бетона. Сборные блоки каждого яруса устанавливаются друг на Друга без специальной подготовки, после чего полости заполняются грунтом, а затем укладываются слои бетона внутренней зоны плотины. Работы по укладке грунта и бетона внутренней зоны аналогичны, позволяют использовать одни и те же механизмы. Горная масса, обладая высокими теп-лоиз ..ляциокными свойствами (при коэффициенте теплопроводимости в 5-10 раз ниже, чем у бетона), при толщине слоя до Зм обеспечивает надежную защиту бетона внутренней зоны.

Для такой плотины высотой 88м в условиях сурового климата были выполнены расчетные исследования температурного режима и напряженного состояния от силовых и температурных воздействий эксплуатационного периода в рамках решения плоской задачи теории упругости по программе, реализующей метод конечных элементов (программа составлена А.И.Вайнбергом и С.Г.Сидоренко). Анализ результатов исследований

Рис. 3. Плотина со сборными элементами с грунтовой засыпкой со стороны низовой грани. 1-низовая зона; 2-внутренняя зона из укатанного бетона; 3-верховая зона; 4-грунтовая засыпка; 5 и 6-продольные плиты; 7-соединительные элементы.

Рис. 4. Распределение температур и напряжений оу в эксплуатационный период на 15 января: а) в плотине обычной конструкции; б) в плотине с грунтовой засылкой (теплоизолирующим слоем) на низовой грани; - сжатие.

показывает (рис.4), что в такой плотине: ________________________________

______- в зимний период достигается надежная теплозащита внутренней зоны,

где минимальные температуры в бетоне со стороны низовой грани составляют О";

- резко уменьшается амплитуда сезонных колебаний температуры бетона;

- отсутствуют растягивающие напряжения на низовой грани, вызванные температурными воздействиями, а в плотине традиционной конструкции они могут достигать З.ОМПа, уменьшаются максимальные растягивающие напряжения от температур;¡ых воздействий на верховой грани и соответственно раскрытие межблочных швов;

- появляется возможность улучшить напряженно-деформированное состояние контактной зоны, не допускать нарастания деформаций в ней со стороны верховой грани, вызванных сезонными колебаниями наружных температур и раскрытием строительных швов на низовой грани, что наблюдается по данным В.Н.Дурчевой и других исследований на ряде плотин (например, Братской ГЭС).

В целом статическая работа такой плотины может быть более благоприятной, чем при традиционной конструкции. Такая конструкция, обеспечивая надежную теплозащиту бетона внутренней зоны плотины в период строительства и эксплуатации, позволяет одновременно уменьшить объем бетона на 10% за счет обжатия бетонной части профиля плотины.

Как показывают результаты проведенных исследований, разработанные новые конструктивно-технологические решения плотин из укатанного бетона имеют существенные преимущества, обеспечивая:

- упрощение условий возведения плотины при независимом выполнении внутренней и верховой зон с повышением общей интенсивности бетонных раи-.ч;

- выполнение верховой зоны в оптимальных условиях с уменьшением количества горизонтальных строительных швов в ней и возможностью сокращения специальных мероприятий по отводу тела экзотермии;

- в суровых климатических условиях оптимизацию управления температурным режимом, улучшение термонапряженного состояния и вцелом статической работы плотины, уменьшение объема бетона.

В условиях умеренного и жаркого климата новые конструкции плотины с использованием сборных блоков [24], образующих верховыми гранями сплошную ровную поверхность, обеспечивают благоприятные условия для ус-

тройства на ней экрана. В плотине с установкой со стороны напорной грани плотины сборных элементов с полостнями-штрабами и полостями-дренами [32] при заполнении полостей-штраб асфальтобетоном или другим слабоводопроницаемым заполнителем-герметиком образуется сплошной экран. В предложенной поисковой разработке новых конструкций плотины [21,22] рассматриваются также экраны комплексного назначения, обладающие лро-тивофильтрационными и антисейсмическими свойствами.

В условиях узких створов предложена новая конструкция плотины [33], у которой низовая грань выполнена ломанной с уширением в зоне примыкания к бортам створа. В такой плотине с пространственной схемой работы в зоне примыкания к бортам устроены продольные швы-надрезы 2, ориентированные под углом 10-30" к продольной оси плотины и выполненные с уменьшением длины швов от низовой грани к напорной, благодаря чему в срединной

Г

Рис. 5. Плотина со швами-надрезами в примыкании.

части плотины образуется в горизонтальном сечении трапеция 1 (рис.5). При необходимости снижения жесткости в консольном направлении продольные швы-надрезы также могут устраиваться в русловой части плотины. Под действием гидростатического давления воды в такой плотине происходит перемещение срединной части плотины, работающей как клин, с обжатием стенок-массивов в примыканиях. При возведении такой плотины для срединной части плотины может применяться технология укатанного бетона.

Плотины с понуром. Для обеспечения совместной работы бетонного понура с телом плотины и повышения надежности разработаны новые конструкции [8,28,29,40] с гибким сопряжением понура с плотиной (рис.6). Такая плотина состоит из понура в виде отдельного бетонного массива, объединенного с плотиной в единую конструкцию арочным перекрытием. Высота понура составляет 0,1-0,25 от высоты плотины. Под перекрытием образуется дренажная полость. Для получения дополнительной пригрузки над перекрытием может быть уложена фунтовая пригрузка. Арочное перекрытие, рабо-

тающее как распорная конструкция, передает горизонтальные и вертикальные усилия от собственного веса,_ водяной пригрузки лонуру и плотине. Устойчивость -понураТ" воспринимающего горизонтальное гидростатическое давление и значительное фильтрационное противодавление, обеспечивается за счет водяной пригрузки, собственного веса и удерживающих сил, передаваемых арочным перекрытием. При этом можно получить достаточно равномерную эпюру сжимающих напряжений по его подошен. Устойчивость плотины, несмотря на сокращение собственного объема, достигается за счет уменьшения горизонтальных сил от гидростатического давления, п также за счет, практически, полного сняшя фильтрационного давления в основании.

Конструкция плотины (рис.бб) отличается тем, что по Еерху понура на участке, примыкающем к плотине, выполнен горизонтальный деформационный шов, который в зоне примыкания переходит в наклонный шов, направленный в сторону нижнего бьефа. Горизонтальный участок шва перекрывается аркой, соединяющей понур с телом плотины. В другой конструкции (рис.бв) на участке плотины выше понура в створе дренажа тела плотины вы-

1-бетонный понур, 2-плотина; 3-арочнов перекрытие; 4-плосков перекрытие; 5-дренажная полость; 6 и 7-цементационная и дренажная завесы; 8-деформационный шов; 9-экран; 10-грунтовый понур; 11-дренаж; 12-сейсмоизолирующая прослойка; 13-тяжи.

полнен вертикальный деформационный шов, который ниже переходит в наклонный шов, направленный в сторону нижнего бьефа, и отделяет понур от тела плотины. Напорная стенка-перекрытие работает как гибкая связь в горизонтальном направлении, обеспечивая практически независимые перемещения в атом направлении понура и плотины, и как следствие, в значительной мере независимое восприятие ими горизонтальных нагрузок. В то же время напорная стенка-перекрытие в вертикальном направлении работает как жесткая связь, передавая часть собственного веса от верхней части тела плотины на понур. Для рассматриваемой конструкции плотины целесообразно увеличение ширины подошвы понура, поскольку при этом увеличивается момент от веса водяной пригрузки на понур, а также одновременно увеличивается удерживающий момент от собственного веса плотины относительно центра тяжести ее подошвы. За счет этого достигается улучшение напряженного состояния контактной зоны как понура, так и плотины. С целью достижения на напорной грани плотины только сжимающих напряжений перед стенкой целесообразно возвести дополнительно арочное перекрытие.

Для исследования напряженно-деформированного состояния такой плотины была применена расчетная схема, рассматривающая совместную работу всех элементов конструкции и основания, с использованием метода конечных элементов в рамках плоской задачи теории упругости. Основной целью исследований являлось изучение перераспределения напряжений в основании, в зоне контакта и в нижней части плотины. Анализ результатов расчетных исследований, проведенных для плотины высотой 80м, показал (рис.7), что при действии основных эксплуатационных нагрузок в основании плотины отсутствует зона растяжения, а максимальные сжимающие напряжения снижаются. При атом обеспечивается возможность регулировать напряжения в контактной зоне и перераспределять усилия между понуром и плотиной. В сечениях арочного перекрытия и практически по всей напорной грани плотины действуют сжимающие напряжения. Увеличение длины подземного контура и расширение дренированной области основания при недопущении зон разуплотнения (двухосного растяжения) оказывают благоприятное влияние на фильтрационный режим в основании, учитывая взаимозависимость напряженно-деформированного состояния и фильтрации, причем, как показывают исследования Э.С.Калустяна и др., при действии растягивающих напряжений в основании фильтрация резко возрастает (на 1-2 порядка). Достаточно равномерное распределение нормальных сжимающих напряжений в конт актной плоскости, снижение противодавления позволяют улучшить на-

МРа -0.0

Рис. 7. Напряженное состояние плоти. » мы и основания (при Епл/Ео=1). '' 1 и 2-эпюры нормальных и касательных напряжений по подошве; 3-эпюры ■ 2.Р нормальных напряжений в арочном перекрытии,

пряженно-деформированное состояние высоких плотин и повысить надежное^ работы как отдельных элементов (цемзавеса), так и нцелом несущую способность системы плотина-основание по сравнению с традиционной конструкцией [10,43]. Такая плотина обеспечивает лучшие условия взаимной адаптации сооружения и скального основания особенно в сложных инженерно-геологических условиях, при неоднородности основания, при значительных деформациях ложа водохранилища от давления соды.

Такая плотина менее чувствительна к изменению нагрузок, вызванных значительными сезонными колебаниями уровня водохранилища в процессе эксплуатации, что оказывает существенное влияние на напряженно-д-. . .. «ированное состояние контактной зоны высоконапорных плотин традиционной конструкции, приводит к изменению физико-механических характеристик основания и условий фильтрации, к нарастанию трещинообразова-ния, остаточным деформациям. Эти явления наиболее характерно прослеживаются на плотинах Кельнбрейн (Австрия), Саяно-Шушенской ГЭС. Кроме того, на напряженно-деформативное состояние контактной зоны понура таких плотин в эксплуатационных условиях практически не оказывают влияния температурные воздействия, связанные с сезонными колебаниями внешней температуры, что характерно для плотин, построенных в суровых климатических

условиях, вызывая дополнительное разуплотнение и остаточные деформации под верховой гранью.

Рассмотренные решения позволяют повысить сейсмостойкость гравитационной плотины за счет изменения динамических характеристик взаимосвязанной системы понур-плотина, уменьшения противодавления на подошву, эффективного использования водяной пригрузки, исключения зоны разуплотнения в основании.

В главе 5 показано, как с помощью предложенных конструкций можно эффективно решить задачу наращивания высоты плотин существующих гидроузлов, а также возведения их в две очереди.

На основании расчетных исследований для плотин высотой 80-120м установлено, что при параметрах сопротивления сдвигу 1дф=0,75, С=0,2МПа и ниже по сравнению с традиционным решением снижение объема бетона составляет от 10 до 20% при одновременном улучшении напряженно-деформированного состояния контактной зоны. При снижении величины максимальных сжимающих напряжений и противодавления в основании плотины облегчаются требования к основанию, что позволяет уменьшить зону съема.

Предложенные решения могут найти также применение в гравитационных плотинах с экраном (рис.бг), в плотинах, работающих по пространственной схеме, в контрфорсных и арочно-гравитационных плотинах.

Такие решения позволяют решить задачу оптимизации напряженно-деформированного состояния и фильтрационных условий контактной зоны, повысить надежность работы системы плотина-основание при нормальных эксплуатационных условиях и при экстремальных воздействиях, полнее использовать прочностные свойства бетона плотины и скального основания.

При такой конструкции также достигаются технологические преимущества, так как возведение плотины не связано с цементационными работами, а цементационная завеса может выполняться открыто с фундаментной плиты понура, а не из галереи. Для возведения бетонного выступа и тела плотины используется технология укатанного бетона. При этом ниже арочного перекрытия, где отсутствует напор, вся плотина, включая верховую зону, выполняется из укатанного бетона. Работы по арочному перекрытию, которые ведутся параллельно с бетонированием плотины, могут вызвать определенное осложнение. Для их упрощения целесообразно использовать сборные элементы с дальнейшей укладкой монолитного бетона или передвижную опалубку.

В такой плотине обеспечивается вцелом повышение- эксплуатационной надежности, снижение-стоимостй-строительства, исключение затрат на ремонтные работы в эксплуатационный период, связанные с разуплотнением основания и, как правило, требующие значительных средств, хотя и не всегда оказывались успешными.

В случае, когда в силу специфических особенностей основания или других факторов взаимные перемещения блока бетонного понура и тела плотины могут быть значительными для восприятия арочным перекрытием, предложено новое решение [35] с устройством между бетонным понуром и плотиной полости, в пределах которой грани тела плотины и бетонного понура выполнены встречно наклонными к основанию, образуя трапецию с меньшим нижним основанием. При этом в полости устроен понур из слабоводонепроницаемого грунта (рис.бд). При действии гидростатического давления на грунтовый понур, имеющий форму клина, в нем возникают распорные сжимающие усилия, обеспечивающие его прижатие к наклонным поверхностям плотины и бетонного понура, совместную работу всех элементов плотины. При выполнении грунтового понура арочного очертания распорные усилия в нем увеличиваются Такая плотина выполняется с использованием технологии укатанного бетона, причем для устройства грунтового понура применяются, практически, тс же строительные механизмы. При дальнейших исследованиях следует проанализировать работу грунтового понура, напряженно-деформированное состояние которого характеризуется большими значениями сжимающих напряжений и возможностью образования зон пластических деформаций.

Приведенные решения могут использоваться для плотин с устройством сейсмоизолирующих прослоек, позволяющих изменить динамические характеристики сооружения для повышения его сейсмостойкости. Сейсмоизоли-рующие прослойки могут быть выполнены из несвязного грунта или из специального бетона со сниженными показателями деформируемости. Для повышения надежности работы таких плотин предложена поисковая разработка новой конструкции [34] с сейсмоизолирующей прослойкой, устроенной в нижней части плотины. При этом обе части плотины связаны между собой гибкими преднапряженными тяжами с наклоном в сторону нижнего бьефа (рис.бж), у которых один конец заанкерен, а другой с натяжной головкой выведен в потерну.

Плотины, заанкеренные в основание, предложена новая конструкция [16] с устройством со стороны верхнего бьефа наклонных тяжей, заде-

ланных в верхнюю часть плотины и в основание и имеющих плавучие емкости. При этом под действием давления воды на плавучие емкости достигается автоматическое натяжение тяжей при обеспечении герметичности плавучих емкостей. Поэтому такие решения можно рассматривать в плотинах со сравнительно кратковременным периодом максимального загружения, например, в плотинах противопаводковых гидроузлов, в перемычках.

Комбинированные плотины. Значительное уменьшение объема бетона может быть достигнуто в новой конструкции комбинированной плотины [26] (соавтор Л.Л.Левицкий), состоящей из гравитационной плотины с расширенными швами трапецеидального сечения, большим основанием примыкающего к грунтовой насыпи (рис.8). При такой конструкции обеспечивается совместная работа бетонной плотины и грунтовой насыпи с обжатием бетонных секций и с эффективным распределением по длине расширенного шва массы зависшего на боковых стенах секций грунта, достигающего максимальных значений со стороны напорной грани. Как показали выполненные расчетные исследования, за счет оптимального распределения массы бетона и грунта обеспечивается эффективное напряженное состояние при уменьшении объема бетона до 40%.

Рис.8. Комбинированная плотина с расширенными швами. 1-бетонная часть; 2-грунотовая призма.

Ь такой плотине при определенном усложнении технологии, упрощаются работы по засыпке полостей швов грунтом, которые выполняются одновременно с грунтовой насыпью.

Конструкция комбинированной плотины, [18] (соавторы Л.Л.Левицкий, А.А.Забара), предусматривает, что между противофияьтрационным элементом плотины из грунтовых материалов и низовой гранью бетонной плотины размещен слой фильтрующего материала, который сообщен с верхним бьефом. При этом появляется возможность регулировать гидростатическое давление, действующее на бетонную плотину и соответственно ее напряженно-

Л-й

деформированное состояние, что особенно важно при использовании такой конструкции для наращивания плотин:

— " ''"3.КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ЯЧЕИСТЫХ

ПЛОТИН

Ячеистые сооружения ИЗ сборных элементов. Повышение технологичности ячеистых сооружений достигается благодаря применению сборных плоских плит с устройством стыков только в вертикальных столбах замо-ноличивания перепуском петлевых арматурных выпусков из плит. При атом приходится отойти от принципа статической работы сооружения как монолитного, не замонопичивая горизонтальные шеи между плитами. Ячеистый каркас, кроме сборно-монолитной напорной стенки для обеспечения ее водонепроницаемости, собирается из сборных плит (рис.9), а его поперечные стены нами предложено выполнять с проемами в мало нагруженных зонах, что способствует выравниванию усилий в них и позволяет уменьшить объем

О ¡ЮН МР&-

!-

в

. .... ■тетя

г

-Ь-ъ

Рио.9, а) секция устоя Каневской ГЭС; 7-напорная стенка сборно-монолитной конструкции; 2-сборные плиты; 3-столбы замоноличиеания; 4-фундаментный ярус;

б) эпюры нормальных напряжений в контрфорсной стенке ячеистого устоя из плит (при действии эксплуатационных нагрузок); "-" - сжатие.

сборного железобетона до 10% [1 ]. При наличии в каркасе незамоноличен-ных швов изменяется его статическая работа и возрастает роль вертикальных столбов замоноличивания в обеспечении общей прочности. Для всестороннего обоснования такой конструкции потребовалось проведение комплексных исследований, включающих испытания стыков, разработку методики расчета общей прочности, исследования по выбору оптимальных параметров.

Учитывая, что вертикальные узлы замоноличивания являются основным несущим элементом, для обоснования их параметров, выбора рациональной конструкции петлевого стыка по разработанной автором программе и при его участии были проведены испытания таких стыков [6], которые по конструкции и условиям работы отличаются от петлевых стыков, испытанных ранее во ВНИИГе им.Б.Е.Веденеева и НИСе Гидропроекта. Испытания проводились для двух вариантов конструкции наиболее нагруженного углового стыка: с прямыми петлевыми выпусками и с максимально расширенными петлевыми выпусками, у которых в местах перегиба к петлевому выпуску приваривалась перемычка. Было испытано 23 железобетонные модели угловых стыков плит устоев Каневской ГЭС, выполненные в масштабе 1:3,5, включая сборные и монолитные модели, с армированием и без армирования ядра. На всех ступенях загружения моделей велись наблюдения за относительными деформациями арматуры по тензодатчикам, за прогибами, за

образованием и раскрытием трещин. Анализ результатов испытаний показал:

Сборные модели характеризуются ранним образованием трещин по контакту сборных элементов с бетоном омоноличивания при нагрузках {0,450,78) Ртр, где Ртр - расчетная нагрузка трещинообразования, а жесткость сборных моделей в среднем на 10% меньше, чем монолитных, что в статических расчетах каркаса можно не учитывать.

У сборных и монолитных моделей с прямыми петлевыми выпусками при армировании ядра и без него в пределах зоны стыка трещины не были обнаружены, а распределение напряжений по длине арматурных выпусков характеризуется уменьшением их значений до нуля на криволинейном участке. Разрушение этих моделей происходило при нагрузках (0,96-1,11)Р раз, где Р раз - расчетная разрушающая нагрузка.

У моделей с расширенными петлевыми выпусками трещины развивались в зоне омоноличивания, разрушение происходило при нагрузках (0,480,78) Рраз.

Установлено, что при размерах зоны омоноличивания, превышающих в 2 раза толщину сборного элемента, марке бетона_омоноличивания~В-22.5 и длине прямых, петлевых выпусков, равной 25 диаметрам арматуры, обеспечивается трещиностойкость стыка и передача усилий без армирования ядра, что позволяет уменьшить количество арматуры в стыке.

Расчет общей прочности каркаса ячеистой конструкции из плит обычно выполняется отдельно для контрфорсных и для поперечных стенок, которые близки по условиям статической работы стенам с проемами, исходя из чего, можно использовать для их расчета методы расчета стен с проемами. Как показали исследования Д.А.Питлюка и Д.Матооки, для них лучшее соответствие с данными экспериментальных исследований получено при исполь вании схемы составной балки с упругими связями. С учетом этих данны- автором был разработан общий метод расчета конструкций типа стен ячеистого каркаса с горизонтальными швами и стен с проемами [3,5] с принятием следующих предпосылок:

- контрфорсные и поперечные стенки каркаса находятся в условиях плоского напряженного состояния, определяемого, исходя из упругой стадии работы;

- в горизонтальных швах между сборными плитами нормальные и касательные напряжения отсутствуют.

Контрфорсные стенки рассматриваются как консольные составные мно-говетвенные балки ступеЛчато-иерсменного сечения, у которых напорная стенка и вертикальные столбы являются ветвями, а сборные плиты выполняют роль упругих связей, обеспечивающих передачу сдвигающих и нормальных усилий от одной вегви к другой, т.е. работают как связи сдвига и как поперечные связи. При изгибе составных балок с такими связями наиболее существенное влияние на их напряженное состояние оказывает работа связей сдвига, так как деформации изгиба связей значительно превышают деформации от действия продольной силы.

При решении довольно сложной системы, какую представляет консольная составная многоветвенная балка ступенчато-переменного сечения, мы основывались на трактовке работы составных балок, предложенной А.Р.Ржаницыным, где составная балка рассматривается, как многократно статически неопределимая система, при расчете которой используются следующие допущения:

- работа отдельных ветвей происходит в соответствии с технической теорией изгиба, так как у рассматриваемых конструкций длина ветвей значительно больше их ширины £>5а;

- дискретные равномерно расположенные по длине балки связи заменяются непрерывно распределенными.

При этом неизвестные усилия, действующие вдоль линий упругих связей, задаются в виде некоторых функций, определяемых путем решения системы дифференциальных уравнений второго порядка, выражающих приращение сдвига в швах составной балки. А.Р.Ржанмцын получил систему дифференциальных уравнений для составной балки постоянного сечения, наметив в общем виде пути ее решения. Нами было получено общее решение консольной составной многоветвенной балки ступенчато-переменного сечения с упругими связями сдвига, для которой система состоит из 2.(т+-л

2

дифференциальных уравнений вида:

rpH i

^^ _ . (l+m-í) rp i o+m-íj

- L,¿x* '¡+Аю , (i)

М

для ¿ra-i<x<i„, £=1, к- 1 , Ь,-г<х<1т-1 í = 2» к = 1,2 ,

0<x</¡ i-m, к = 1,2,...,« , где Tj - суммарное сдвигающее усилие в i шве (пинии упругих связей), г - коэффициент жесткости связей сдвига,

A¡f и А¡о коэффициенты, выражающие приращение сдвига в j шве соответственно от единичного сдвигающего усилия в f шве и от внешней нагрузки,

1х,...,1т - расстояние от основания балки до конца 1,...,гп участков по высоте балки, равных числу линий упругих связей т.

Для консольной составной балки с граничными условиями на обеих концах:

= о т;ф) = о, (2)

решение было получено с помощью вариационного метода Каггильяно-Ритца. Задаемся выражением сдвигающих усилий в швах в виде ряда:

¿=i

(3)

U

im)

•iVi

i=1

где а.,...,г. - неизвестные функции,

<р\л- функции, наилучшим образом аппроксимирующие в совокупности исследуемую функцию и удовлетворяющие граничным условиям; выбраны в виде- ряда------------------- """

г, - Xм

Используя условие минимума полной потенциальной энергии, составляется система канонических уравнений, в результате решения которой на ЭВМ были определены значения коэффициентов уравнений и сдвигающие усилия для различных типов консольных составных балок. Для более простого случая доухве гвенной консольной составной балки с упругими связями сдвига и упругими поперечными спязями нами были гтолучелы точные аналитические решения, используя которые были выполнены исследования, подтвердившие, что у составных железобетонных балок плиты-связи практически работают как бесконечно жесткие поперечные связи [6].

Полученные решения, имея универсальный характер, были применены для расчета и исследований других гидротехнических сооружений (плотин с внутренними полостями и швами), а также промышленных и гражданских сооружений (стен с проемами, спаренных колонн) [11],

На основании отих решений было проведено исследование напряженного состояния большой группы железобетонных конструкций, с изменением размеров проемов н широких пределах, задачей которых являлось определение границ области, где целесообразно использовать расчетную схему составной балки, а также выявление факторов, позволяющих упростить довольно трудоемкие расчеты ячеистых плитных конструкций. В результате исследований [11] установлено:

закон изменения сдвигающих усилий существенно отличается от линейного с увеличением гибкости связей в стенах с проемами;

при соотношении размеров, характерном для стенок ячеистой плитной •.и отношение величин сдеигающих усилий в связях Тх/Т>.=® , определенных для упругих связей сдвига Т*. и для бесконечно жестких связей сдвига "1\=„, практически не отклоняется от единицы по всей высоте балки, кроме ограниченного участка в зоне заделки, где в зависимости от параметров балки, действующей нагрузки максимальное отклонение составляет от 5 до 15%.

Поэтому стены ячеистой плитной конструкции по предлагаемому методу рассчитываются как составные балки с бесконечно жесткими связями сд.вига, благодаря чему расчет значительно упрощается, а результаты расчета для участков стен в зоне фундаментного яруса содержат дополнительный запас

порядка 10%. Для экспериментальной оценки предложенного метода были проведены исследования контрфорсной стенки каркаса устоя Каневской ГЭС на модели из оргстекла, выполненной в масштабе 1:50. Горизонтальные ке-замоноличенные швы выполнялись в виде прорезей. Напряжения в модели определялись в сечениях плит-связей и столбов-ветвйй с помощью тензо-датчиков. Сопоставление экспериментальных с расчетными напряжениями, определенными для модели по предлагаемому методу, показало их качественное соответствие, а максимальные расхождения в величинах в основном не превышали 15-25% [6].

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика расчета общей и местной прочности ячеистого каркаса из плит, с учетом особенностей совместной работой жесткого каркаса и грунта засыпки ячеек [7,19]. Анализ напряженного состояния такой конструкции показывает (рис.96), что изгибающие моменты достигают максимальных значений в плитах в зонах изменения сечения и в нижних плитах контрфорсных стенок, во всех вертикальных столбах действуют значительные продольные сжимающие силы, благодаря весу зависшего на стенах ячеек грунта, а также поперечные силы с максимальными значениями в сечениях, совпадающих с горизонтальными швами.

При исследованиях экономической эффективности ячеистых плитных конструкций была использована методика, основанная на сравнительной " оценке основных технико-зкономических показателей (трудоемкость работ и их стоимость, затраты машинного времени механизмов, общая стоимость), определяемых на 1 мЗ сборного железобетона, а также на все сооружение.

На примере технико-экономических исследований, выполненных для устоев Каневской ГЭС, разработан общий подход для выбора оптимальных параметров ячеистых плитных конструкций. Установлено [9], что для таких кон-с.-, ций высоюй до 40м оптимальные размеры ячеек находятся в пределах 5,5-6,5м, а соотношение длины сборных плит к высоте находится в пределах 1,5-2,0, сборные плиты следует применять одного типоразмера при двух марках, отличающихся армированием. У ячеистых плитных конструкций по сравнению со сборно-монолитными объем бетона уменьшается на 25%, а стоимость - до 10%. Результаты выполненных исследований были использованы при рабочем проектировании устоев Каневской ГЭС, что позволило снизить их сметную стоимость на 100 тыс.руб.(в ценах 1969 года), трудозатраты на 12%.

Опыт строительства устоев Каневской ГЭС показал, что ячеистые плитные конструкции позволяют применить технологию поточного строительства," снизить трудозатраты,_срокИ-Возведения~и~стоимость. Проведенные натур--ные наблюдения за КИА на устоях в процессе долговременной эксплуатации показали, что их напряженно-деформированное состояние соответствует расчетному, и подтвердили надежность разработанных конструкций.

Выполненные технико-экономические исследования при варианте использования ячеистых плитных конструкций для дамб ограждения верховых водоемов ГАЭС показывают, что в суровых климатических условиях их применение позволяет по сравнению с уголковой железобетонной стенкой снизить общую стоимость работ на 22%, а по сравнению с дамбой с бетонным креплением верхового откоса при незначительном снижении стоимости получить эксплуатационные преимущества, благодаря исключению льдообразования на вертикальных стенках, увеличению емкости водоема.

На основании результатов исследований, анализа опыта строительства и эксплуатации устоев Каневской ГЭС ячеистые плитные конструкции рекомендуются для применения в устоях гидроузлов высотой до 40м, сооружениях малых ГЭС и небольших водохозяйственных гидроузлов, в ограждающих сооружениях верховых водоемов ГАЭС.

Конструктивно близка к ячеистой конструкция комбинированной контр-форсной плотины [23] с грунтовой призмой со стороны низовой грани, отличающаяся гибким соединением при помощи шарниров напорного плоского неразрезного перекрытия с контрфорсами, образоваными сборными элементами. Такие конструкции, благодаря сокращению до минимума объемов бетона и простой технологии возведения, могут также найти применение для сооружений малых ГЭС.

Для улучшения напряженно-деформированного состояния массивно-кг :ных плотин предложена новая конструкция [38], в которой массив-

ные оголовки контрфорсов выполнены расширяющимися в сторону нижнего бьефа, а между ними устроены упорные элементы, имеющие в плане форму трапеции. Под действием гидростатического давления происходит их заклинивание между оголовками и обжатие. В такой конструкции, работающей по пространственной схеме, может быть повышена сейсмостойкость.

4.КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ АРОЧНЫХ

ПЛОТИН

Составные плотины из укатанного бетона. Хотя составные плотины имеют определенные преимущества благодаря повышенной гибкости, рациональному использованию бетона, они не нашли применения на практике из-за существенных недостатков, связанных с неопределенностью в распределении нагрузки между арками и усложнением производства работ. Для повышения эффективности и технологичности составных плотин предложена новая конструкция [13,14], состоящая из двух арок 1. Верховая арка связана с низовой при помощи сборных железобетонных элементов 2 (рис.11), которые, обеспечивая передачу нагрузки от напорной на вторую арку и равномерное загружение всей системы, должны быть достаточно гибкими, чтобы свести к минимуму передачу сдвигающих усилий. При этом их целесообразно выполнять катушечной формы с расширением на торцах, образующих внутреннюю поверхность арок. Верховая арка выполняется из вибрированно-го бетона минимальной толщины, исходя из условия обеспечения водонепроницаемости. Низовая арка, являющаяся основным несущим элементом конструкции, соответственно более нагруженная и массивная, выполняется из укатанного бетона. Полость между арками, где установлены сборные элементы, в условиях эксплуатации используется как дренажная.

В такой составной арочной плотине, как и в обычной, можно выделить арки и консоли, которые в рассматриваемом случае являются составными, а связывающие элементы работают как поперечные связи и как связи сдвига. Усилия, действующие в составных арках и консолях, зависят в значительной мере от упругой податливости связей сдвига. Так при бесконечно гибких связях сдвига, составные арки и консоли работают, практически, как состоящие из независимых элементов, а при бесконечно жестких - как монолитные. Иск., :/з/.-I полученные решения составной консоли [3,11] и составной арки с упругими связями, были выполнены расчетные исследования изменения напряжений [42] в таких связях для варианта составной арочной плотины из двух арок, загруженной гидростатической нагрузкой, которые показали {рис.10):

Деформации от нормальных усилий в связывающих сборных железобетонных элементах крайне малы, поэтому поперечные связи можно рассматривать как бесконечно жесткие связи.

Рис.10. а}Расчетная схема составной арки на отметке 60м. С)Эпюра касательных напряжений в связях.

1-при бескоечно жестких связях сдвига; 2-при относительно / ибких связях из сборных элементов.

Связывающие сборные элементы работают кик весьма гибкие связи сдвига, касательные напряжения в них составляют менее 10% от касательных напряжений, полумаемых при бесконечно жестких связях сдвига

Следовательно, работа арок, образующих составную плотину, праюи чески близка к работе отдельных независимых арок, благодаря чему могут быть реализованы преимущества, характерные для составных арочных плотин. С учетом полученных результатов дальнейшие расчетные исследования составной арочной плотины были выполнены с использованием метода ко-< элементов при участии Ю.Б.Мгалобелова. Расчетная схема и методика расчета разработаны с учетом конструктивных особенностей составной арочной плотины. При этом по толщине плотины принято 6 конечных элементов: 1 - в пределах верховой арки; 2,3 и 4 - соответственно верховая опорная часть, стержень и низовая опорная часть сборного элемента - связи; 5 и 6 ■ в пределах низовой арки. Для упрощения решения и сокращения количества конечных элементов реальные сборные элементы - связи были заменены условными (больших размеров, но с уменьшением их количества), обладающих одинаковой погонной жесткостью. Исследования были выполнены для составной плотины высотой 105м в относительно узком створе при отношении

длины плотины по гребню к высоте 1.4, а также для арочной плотины традиционной конструкции. Как показывают результаты анализа напряженно-деформированного состояния, в составной арочной плотине достигаются следующие преимущества (рис.11):

- В верховой арке обеспечивается благоприятное напряженное состояние при действии только сжимающих напряжений с равномерным обжатием ее как в арочном, так и в консольном направлениях при относительно ограниченной неравномерности нормальных напряжений в сечениях, составляющей в зоне максимальных арочных напряжений в ключе 3,4/2,5 = 1,4, в пяте 2,6/1,1 = 2,4, а в зоне ключевой консоли 3,0/2,4 = 1.2. Это крайне важно для обеспечения надежной работы плотины, включая контактную зону, так как верховая арка образует водонепроницаемый контур плотины, сопряженный с основанием. Именно поэтому она должна выполняться с учетом всех требований, обычно предъявляемых к арочным плотинам, включая цементацию швов, обеспечение монолитности работы, а ее толщина, определяемая в первую очередь требованиями водонепроницаемости, должна быть минимальной. При высоте плотины до 100м ее толщина может составлять до 3-4м, а до 200м - до 6м.

- На низовую арку непосредственно давление воды не действует, что определяет более простые условия работы и соответственно предъявляемые требования, исключающие необходимость обеспечения водонепроницаемости, монолитности, недопущения раскрытия трещин. Благодаря этому, низовая арка превращается в обычную несущую конструкцию, которая выполняется более массивной, чем верховая арка, чтобы воспринять большую часть внешней нагрузки. При этом напряженное состояние ее было также достаточно благоприятным (максимальные сжимающие напряжения составляли 4.1МПа, а растягивающие О.ЗМПа).

:. '. Сорных распределительных элементах действуют сжимающие напряжения, максимальные значения которых составляют 9.5МПа.

- Напряженное состояние арочной плотины традиционной конструкции в целом менее благоприятно, характеризуется значительной неравномерностью напряжений в арочном и консольном направлениях, наличием зон растяжения в арочном и консольном направлении. При этом ее объем на 16% превышал объем бетона составной арочной плотины.

ч В составной арочной плотине, благодаря повышенной гибкости, также значительно снижаются напряжения в эксплуатационный период от температурных воздействий, особенно в верховой арке, причем дополнительный

а.) Верх оба* Низшая гран б

К л/о г /1-я та.

и

0 12 3 4 £Г1Г7с(

1,0 10, О

Рис. 11. Поперечное сечение и эпюры нормальных напряжений в составной арочной плотине: ■ •-■ а) арочные и 6} консольные

напряжения в верховой арке; в) арочные и г) консольные напряжения в низовой арке; "-" - сжатие.

эффект может быть получен путем регулирования температуры внутренней полости между арками. Такая конструкция характеризуется повышенной сейсмостойкостью за счет "рессорной" ее работы, снижающей динамический эффект.

Технологическая схема возведения таких плотин предусматривает [41] опережающее бетонирование массивной низовой арки путем поярусной установки сборных элементов, послойной укладки и уплотнения катками бетона низовой арки. При независимом бетонировании низовой арки, отсутствии требований по обеспечению монолитности создаются оптимальные условия применения технологии укатанного бетона. Укладка вибрированного бетона в тонкостенную верховую арку ведется с отставанием, практически, независимо от бетонирования низовой арки. Учитывая благоприятные условия охлаждения блоков со стороны напорной грани и внутренней полости, небольшую толщину арки, можно резко сократить объем специальных мероприятий (трубное охлаждение) для регулирования температуры верховой арки в строительный период. При. этом бетонирование производится обычными методами с последующей цементацией строительных швов.

Технологическими преимуществами такой конструкции являются:

- выполнение низовой арки из укатанного бетона при отсутствии требований по обеспечению водонепроницаемости, что позволяет полностью или частично отказаться от цементации строительных швов, снизить требования к допущению образования температурных трещин в строительный период;

- выполнение работ по верховой арке из вибрированного бетона и низовой арки из укатанного бетона независимо друг от друга, что позволяет обеспечить устойчивость процесса бетонирования и эффективно использовать поточный метод с комплексной механизацией работ;

- улучшение условий охлаждения бетона верховой арки в строительный период со значительным сокращением затрат на мероприятия по температурному регулированию;

В результате технико-экономических исследований таких плотин установлено:

С увеличением высоты плотины их эффективность повышается. По сравнению с плотинами традиционной конструкции при высоте 100-200м объем бетона у них снижается на 15-25%, стоимость с учетом выполнения низовой арки из укатанного бетона - на 25-35%, а трудозатраты на стройплощадке - на 60-90%.

Упрощается технология возведения плотины и обеспечивается широкое

применение укатанного бетона. _______

Достигается, значительный- -экономический"эффект за счет снижения объемов, стоимости, трудозатрат, снижения сроков строительства.

В таблице 1 приведено ориентировочное соотношение бетона в составных арочных плотинах (изменение распределения дано для плотин при переходе от средних створов к относительно узким створам).

Таблица 1

| Наименование Распределение в % при высоте

до 100м | до 200м

Iвибрированный 35-4о ; 20-30

(укатанный 02-47 78-67

|сборный 3-5 2-3

При дальнейших исследованиях целесообразно рассмотреть влияние на напряженно-деформированное состояние плотины особенностей, связанных с выполнением низовой арки из укатанного бетона с минимальным количеством радиальных швов, при отказе от цементации швов.

Конструкция такой составной арочной плотины также может оказаться эффективной при необходимости ремонта плотин в случае, аналогичном арочной плотине Кельнбрейн (Австрия) высотой 200м, у которой при наполнении водохранилища образовались опасные трещины в основании из прочных гнейсов и в контактной зоне. Если при сниженном напоре выполнить в нижней части створа за существующей вторую более массивную арку и гибкие связывающие элементы, объединяющие ее с существующей аркой, то при дальнейшем повышении уровня водохранилища вторая более жесткая арка воспримет часть дополнительной гидростатической нагрузки и при этом будет определять деформации первой арки, которые значительно уменьшатся, благодаря чему не смогут раскрываться опасные трещины в ее контактной зоне.

Плотины ИЗ арочных поясов. В предложенной конструкции плотины [2] арочные пояса раздвинуты по высоте и оперты на столбы, а пространство между арочными поясами перекрывается достаточно гибкими перекрытиями: плоскими или арочными [12]. Столбы целесообразно образовывать путем разрезки массива между арочными поясами вертикальными продольными и радиальными швами, что позволяет упростить возведение плотины. Благодаря гибкости перекрытий и столбов, регулированию в широком диапазоне жесткости в консольном направлении, меняя количество образующих столбы

вертикальных продольных швов по длине плотины, можно получить оптимальное напряженное состояние. Как показали расчетные исследования арочной плотины такой конструкции (рис.12) высотой 60м в условиях широкого створа, по сравнению с обычной арочно-гравитационной плотиной появляется возможность за счет резкого уменьшения жесткости в основании консолей перераспределять гидростатическую нагрузку между арочным и консольным направлением с возрастанием обратной нагрузки в верхней части консоли. При этом разгружается консоль в зоне основания и догружаются арки в верхней части плотины, достигается отсутствие растягивающих напряжений по верховой грани плотины, лучшее использование прочностных свойств бетона при снижении объема около 30%. В таких плотинах при уменьшении нагрузки, передаваемой плотиной на основание в русловой части, и увеличении нагрузки на борта створа требуются благоприятные инженерно-геологические условия для обеспечения прочности и устойчивости береговых примыканий.

Рис. 12. Плотина с арочным поясом в широком створе.

1-арочная часть; 2-столбы; 3-пробка; 4- арочное перекрытие; 5 и 6-распределение нагрузки между арками и центральной консолью соответственно для рассматриваемого варианта и арочно-гравитационной плотины.

Заанкеренные плотины. Натяжение тяжей за счет гидростатического давления используется в новой конструкции арочной плотины [12], у которой горизонтальные тяжи располагаются в верхнем бьефе под углом к верховой грани плотины по обе стороны от ее оси и заанкериваются одним концом в тело плотины, а другим - в борта ущелья. Усилия в тяжах позволяют улучшить напряженно-деформированное состояние контактной зоны и повысить устойчивость береговых примыканий, а при сейсмических воздействиях поперек потока, благодаря наличию упругой опоры-тяжа, повысить сейсмостойкость плотины.

Й-Й 4-

Арочно-контрфорсные ПЛОТИНЫ. В широких створах предлагается новая конструкция плотины (соавтор Ю.Л.Мгалобелов) с устройством контр--форсов в нижней части плотины,-расположенкых~расномкрно по ее длине и —-направленных по радиусу [27,42]. Контрфорсы могу; быть образованы радиальными швами-прорезями устроенными в нижней части плотины со стороны низовой грани (рис.13), что позволяет упростить конструкцию.

В плотине за счет снижения жесткости арок можно улучшить напряженное состояние в арочном направлении, а за счет увеличения высоты еочения контрфорсов снизить консольные оастягисающие напряжения на верховой грани и в зоне сопряжения с основанием. При снижении гребня контрфорсов от оси плотины к бершам достигается переоягрррдолснии на1 рузки между центральной и береювыми частями, обеспечивается более равномерная передача нагрузки в арочном направлении на борта створа.

Рис. 13. Арочно-контрфорсаач плоима.

а^йцц с нижнего бьефа; 6}поперечный разрез; в)план-разрез; 1-плотина; 2-контрфорсы; 3-швы-надрезы.

Комбинированные ПЛОТИНЫ. В конструкции плотины {4} (соавтор Л.Л.Левицкий) предлагается ее нижнюю час и, сы:к><шить из местных материалов, а верхнюю - в виде арочной плотины, опертой на береювыи склоны (рис. 14), а в пролете при необходимости - из столбы

При возведении плотны в начале выполняется арочная часть с пропуском строительных расходов в естественном русле с последующим перекрытием его плотиной из местных материалов, что позволяет достичь экономии

Рис. 14. Комбинированная плотина-.

а) поперечный разрез; б) вид с нижнего бьефа;1 -экран; 2-боковые призмы; 3-арочная плотина; 4-столбы.

и уменьшение сроков строительства за счет отказа или сокращения строительных туннелей. При такой конструкции плотины важным элементом, требующим большого внимания и дальнейшего изучения, является сопряжение грунтовой плотины с аркой.

5.НАРАЩИВАНИЕ БЕТОННЫХ ПЛОТИН.

Гравитационные плотины. При возведении плотин очередями или наращивании необходимо учитывать комплекс вопросов, связанных с условиями и технологией возведения последующих очередей, их совместной работы и поэтапного формирования напряженно-деформированного состояния системы "плотина-основание", а также с эксплуатацией ГЭС, водосбросов в процессе наращивания. Новые возможности открывает предлагаемый способ наращивания [43], основанный на использовании конструктивных решений плотин, приведенных в главе 2. При этом за плотиной первой очереди возводят вторую плотину требуемой высоты, которую соединяют с первой при помощи арочного перекрытия (рис.15), выполняя, как и при обычном способе, развитие подземного контура и др. После повышения уровня водохранилища затопленная плотина первой очереди работает как выступ-понур, гибко связанный арочным перекрытием с телом плотины второй очереди. При таком способе наращивания достигаются следующие преимущества;

- Арочное перекрытие обеспечивает совместную работу плотины первой и второй очереди при минимальном объеме дополнительных работ в зоне его опирания на низовую грань при благоприятных условиях сопряжения, благодари действию на участке опирания сжимающих напряжений.

- Благоприятное напряженно-деформированное состояние и фильраци-онные условия контактной зоны и основания плотины.

Рис. 15. Возведение плотины в две очереди. 1-плотина первой очереди; 2-плотина второй очереди; перекрытие; 4-грунтовая при,грузка.

3-арочное

м

15

сшсссогу»

-п »гч - г

дед ■

я-я

Г.

V----ПГР""11! ~

N. ■ Г1!!1!1

-д

5'

т.».

-»С-» 1Г -]—

>1-1-5'

ЛЖ',1

\

^ Ьхоа^о ,

Рис. 1С. Этапы наращииания плотины (2,3,4).

1 и 2-существующа» плотна и здание ГЭС; 3 и 4-перемычки 1 и 2 очереди; 5-донные водоводы для пропуска расхода ГЭС и строительных расходов; 6-новая плотина; 7-здание ГЭС; 8-водослив; 9-арочное перекрытие.

- Для плотины второй очереди, где в основании практически отсутствует фильтрационное давление, облегчаются требования к основанию, что позволяет уменьшить врезку, сократить объем выемки.

- Снижается объем бетона плотины второй очереди.

- Исключается необходимость в период строительства второй плотины сработш водохранилища.

- Достигается принципиальная возможность эксплуатации ГЭС и частично водосбросов плотины первой очереди в период строительства.

- Значительно улучшаются условия строительства, благодаря независимому возведению плотины второй очереди, где создаются благоприятные условия для применения технологии укатанного бетона.

- В целом повышается экономическая эффективность наращивания плотины.

Новый способ наращивания плотин был апробирован при проектировании расширения гидроузла в КНР в соответствии с разработанной автором программой и основными техническими решениями. В состав гидроузла входит массивно-контрфорсная плотина высотой 40м, включающая водосливную и станционную часть, и приплотинное здание ГЭС. Для наращивания существующей плотины до 115м за ней предусматривается строительство второй плотины в несколько этапов, чтобы обеспечить в период ее возведения эксплуатацию существующей ГЭС (рис.16). На 1 этапе под защитой перемычек, перекрывающих часть русла реки, устраивают в основании второй плотины донные водоводы для пропуска расхода существующей ГЭС. На 2 этапе, пропуская расходы ГЭС через эти водоводы, перекрывают перемычками оставшуюся часть русла, где устраивают дополнительные донные водоводы для пропуска строительных расходов. На 3 этапе возводят остальную часть плотины с применением технологии укатанного бетона и новое приплотинное здание ГЭС. Строительные расходы пропускают через строительный туннель и через донные водосбросы. Параллельно выполняются работы по развитие цементационной и дренажной завес. На 4 этапе полость между существующей и новой плотиной перекрывается арочным перекрытием пролетом 30м, после чего существующая плотина затапливается, прекращается эксплуатация старой ГЭС. После заполнения водохранилища до УМО начинает работать новая ГЭС.

Исследования напряженно-деформированного состояния плотины совместно с основанием при действии основных эксплуатационных нагрузок с использованием метода конечных элементов (соотношение модуля дефор-

мации плотины и основания Епл/Ео=3, сдвиговые параметры основания— 1дф-0,65, с=0,2МПа) показали (рис.17)1_что-послс"маращисания плотины обеспечивается - благоприятное напряженно-деформированное состояние, характеризующееся отсутствием зон разуплотнения в основании относительно равномерным распределением нормальных сжимающих напряжений в контактной плоскости, высоким коэффициентом запаса устойчивости на сдвиг новой плотины (равным 1.6), при относительно низких сдвиговых показателях. В арочном перекрытии и по напорной грани новой плотины, кроме ограниченного участка в месте примыкания арочного перекрмтпя, действуют сжимающие напряжения.

Рис. / 7. Напряженное состояние плотины после наращивания: эпюры нормальных напряжений и фрагмент с изолиниями главных напряжений а-) и 02, "-"-сжатие.

На основании выполненных технико-экономических исследований установлено, что новый способ наращиваний обеспечивает значительное повышение экономической эффективности за счет:

- улучшения в целом условий строительства при независимом возведении новой плотины с использованием технологии укатанного бетона;

- уменьшения объемов работ по гидроузлу, в том числе подземных работ по строительным туннелям более 50%, бетона плотины - .на 10%, а также сокращения общей стоимости на 8 млн. долларов США или на 13%;

- дополнительной выработки электроэнергии в период строительства более 400 млн. кВт-час;

- сохранения в период строительства нормальных эксплуатационных уровней водохранилища без дополнительной сработки.

Полученные результаты дают основание рекомендовать новый способ для использования на практике при наращивании бетонных плотин и строительстве их в две очереди.

Комбинированные плотины. При наращивании гравитационных бетонных плотин может использоваться новая конструкция комбинированной плотины [4], приведенная в главе 2, которая позволяет регулировать гидростатическое давление, действующее на бетонную часть плотины.

.Применение такого решения при рабочем проектировании и строительстве низовой перемычки Александровского гидроузла на реке Ю.Буг, где в качестве бетонной части использовалась водосливная плотина реконструируемого гидроузла, позволило снизить стоимость на 16%. После разборки земляной части перемычки бетонная часть будет выполнять роль водобойной стенки для новой водосливной плотины [25].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В научном докладе представлены результаты выполненных автором разработок новых решений конструкций бетонных плотин, сопряжения плотин с основанием, технологии их возведения и наращивания, теоретических и экспериментальных исследований, которые позволяют повысить экономическую эффективность и эксплуатационную надежность бетонных плотин, что имеет важное народно-хозяйственное значение. Основные полученные научные результаты и практические выводы:

1. Разработаны новые конструктивно-технологические решения бетонных плотин разных типов, на которые получено 28 авторских свидетельств на изобретение.

2. Для гравитационных плотин из укатанного ботона разработаны новые - —-конструктивные решения верховой зони,_ее.сопряжения"с_шгутронной зоной

с использованием сборных элементов, низовой зоны, образующей теплоизоляционный слой, и новая технологическая схема, основанная на независимом возведении внутренней и верховой зон. Исследовано напряженно-деформированное состояние плотин с учетом конструктивных и технологических особенностей. Установлено, что такие решения позволяют упростить условия возведения, обеспечить устойчивость процесса бетонирования, повысить общую интенсивность бетонных работ, особенно при возведении плотин в суровых климатических условиях, и улучшить их термонапряженное состояние.

3. Разработана новая конструкция и технология возведения составной арочной плотины из двух арок: верховой минимальной толщины из вибриро-ваиного бетона, образующей водонепроницаемый контур плотины, и низовой массивной, являющейся основным несущим элементом, - из укатанного бетона, связанных между собой гибкими сборными элементами. Для низовой арки исключается необходимость обеспечения водонепроницаемости, монолитности, что упрощает условия возведения. Выполнены расчетные исследования напряженно-деформированного состояния такой плотины и технико-экономические исследования. Установлено, что по сравнению с. традиционной конструкцией достигается более благоприятное напряженно-деформированное состояние с обеспечением в верховой арке только сжимающих напряжений. Эффективная технология возведения с использованием укатанного бетона, достигающего в высоких плотинах 70% общего объема, позволяет повысить интенсивность бетонирования и сократить сроки возведения. С увеличением высоты их эффективность повышается, объем бетона уменьшается на 15-25%, стоимость - на 25-35%, а трудозатраты на стройплощадке - на 60-90%.

4. На основе полученных решений и проведенных исследований можно повысить экономическую эффективность, технологичность плотин и расширить область применения укатанного бетона в гравитационных и арочных плотинах.

5. Разработаны новые конструктивные решения сопряжения бетонных плотин со скальным основанием с устройством выступа-понура, гибко связанного арочным перекрытием с плотиной. Исследовано напряженно-деформированное состояние плотины и основания, выполнен анализ влияния разных внешних факторов на надежность работы. Установлено, что такие

решения позволяют: решить задачу оптимизации напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание и фильтрационных условий в основании за счет расширения дренированной области основания, исключения в основании зоны разуплотнения, лучших условий взаимной адаптации плотины и основания, меньшей чувствительности к значительным колебаниям уровня водохранилища, к сезонным колебаниям внешних температур в суровых климатических условиях, использовать имеющиеся резервы несущей способности плотин и оснований. Эффективность таких решений увеличивается для высоких плотин, где по сравнению с традиционными экономия бетона достигает 2.0% при повышении в целом эксплуатационной надежности сооружения. Также достигаются технологические преимущества, обеспечивается использование укатанного бетона.

6. Новые конструктивные решения сопряжения бетонных плотин с основанием рекомендуются при соответствующих условиях для бетонных гравитационных плотин, плотин с экраном, арочно-гравитационных плотин, повышения сейсмостойкости плотин, наращивания плотин.

7. Для ячеистых плитных конструкций разработана методика расчета общей прочности, использующая схему составной балки. Решена задача поперечного изгиба консольной составной многоветвенной балки ступенчато-переменного сечения вариационным методом, а для двухветвенной балки получено точное аналитическое решение. Полученные решения, имея универсальный характер, были использованы также при расчетах конструкций типа стен с проемами, плотин со швами, составных арочных плотин.

На основании расчетных исследований разработан достаточно простой практический способ расчета прочности ячеистых конструкций. Проведены экспериментальные исследования, показавшие хорошее соответствие экспериментальных напряжений с расчетными. Для ячеистых сооружений разработана методика выбора оптимальных параметров и для устоев высотой до 40м определены параметры сборных плит, ячеек, стыков. За счет оптимизации конструкции устоев Каневской ГЭС снижена стоимость на ЮОтыс.руб (в ценах 1969г.), трудозатраты на 12%. Выполнены натурные наблюдения, подтве-дившие надежность работы сооружений.

8. Ячеистые плитные конструкции рекомендуются для применения в устоях гидроузлов, сооружениях малых ГЭС и водохозяйственных гидроузлов, в ограждающих сооружениях верховых водоемов ГАЭС.

9. Выполнены расчетные исследования новой конструкции арочной плотины с повышенной гибкостью в основании консолей за счет разрезки этой

зоны швами на столбы. Установлено, что такая плотина в широких створах позволяет улучшить напряженно-деформированное- состояние и снизить объем около 30% при-наличии "блаюприятиых условий примыканий.

10. Разработаны новые конструктивные решения комбинированных плотин, которые могут быть эффективными в определенных условиях, особенно при наращивании плотин, что подтверждает опыт строительства перемычки Александровского гидроузла.

11. Разработан новый способ наращивания гравитационных плотин с независимым возведением плотины второй очереди, связанной с существующей арочным перекрытием. Исследовано нзпряжинно-деформированное состояние сооружении и его экономическая эффективность для условий расширения гидроузла в КНР с увеличением высоты плотины с 40 до 115м. Установлено, что такая технология наращивания плотины позволяет улучшить условия строительства, эффективно использовать укатанный бетон, уменьшить объемы работ и сократить стоимость на 13%, удлинить срок эксплуатации ГЭС, и в целом дополнительно выработать 400млн.кВт-час, отказаться от сработки водохранилища в период строительства, обеспечить благоприятное напряженно-деформированное состояние.

Предложенный способ может дать начало принципиально новому направлению наращивания бетонных плотин.

По теме диссертации автором опубликованы следующие печатные работы:

1. Ячеистые конструкции из плоских железобетонных плит, Гидротехническое строиI ольство, N 9. 1966, ¡соавтор Л.Л Левицкий).

2. A.c. N 186888, Арочная плотина, Бюл. 19, 1966.

3. Расчет общей прочности ячеистых конструкций из сборных плоских плит, Гидротехническое строительство, N 1, 1967.

4. A.c. N 234235, Каменнонпбросная плотина, Бюл. 3, 1969, {соавтор Л Л.Левицкий).

5. Учет влияния горизонтальных незамоноличенных швов на напряженное состояние ячеистых железобетонных конструкций из сборных плит, Труды координационных совещаний по гидротехнике, выпуск 58, Энергия, 1970,С.152-160.

6. Расчет и исследование общей прочности ячеистых железобетонных конструкций из плоских плит, Сборник докладов по гидротехнике, выпуск 10, Энергия, 1969, С.88-103.

7. Некоторые вопросы статического расчета ячеистых конструкций из плоских плит без фундаментной плиты. Труды Гидропроекта, Сборник 19, М., 1970, С.248-263.

8. A.c. N 312915, Гравитационная плотина. Бюл.26, 1971.

9. Экономическая эффективность ячеистых конструкций из плоских сборных плит, Труды Гидропроекта, Сборник N 31, Харьков, 1972, С.99-107, (соавтор Л.Л.Левицкий).

10. Новая конструкция бетонной плотины на скальных и полускальных основаниях, Вторая научно-техническая конференция Гидропроекта, Тезисы докладов и сообщений, М., 1972, С.24-26.

11. Об одном универсальном методе расчета конструкций типа стен с проемами и многоярусных рам, Известия ВНИИГ, т. 95, 1971, С.179-185, (соавтор И.Б.Соколов).

12. A.c. N 325296, Арочная плотина, Бгал. 3, 1972.

13. A.c. N 429161, Плотина, Бюл. 19, 1974.

14. Новая конструкция составной арочной плотины, Третье научно-техническое совещание Гидропроекта, Тезисы докладов и сообщений, Часть 1, М., 1976, С.49-50.

15. Некоторые особенности новой конструкции бетонной плотины на скальных и полускальных основаниях. Труды Гидропроекта, выпуск 55, М,, 1978, С.95-99.

16. A.c. N 662652. Бетонная плотина. Бюл.18, 1979.

17. A.c. N 783405, Здание ГЭС, Бюл.44, 1980, (соавторы Л.Л.Левицкий, Б.Т.Кузьменко).

18. A.c. N 950851, Подпорное сооружение, бюл. 30, 1982, (соавторы Л.Л.Левицкий, А.А.Забара).

19. Давление грунта на внутренние стены ячеек, Приложение №3, СНиП Н-55-73, Подпорные стены, судоходные шлюзы и рыбозащитные сооружения, М., 1980.

20. A.c. N 1205600. Пространственный армоопалубочный блок, 1985, (соавтор Л.Л.Левицкий).

21. A.c. N 1300082, Плотина, Бюл. 12, 1987.

22. A.c. N 1300083, Плотина, Бюл. 12, 1987.

23. A.c. N 1300085, Контрфорсная плотина, Бюл.12, 1987.

24. A.c. N 1361236, Бетонная плотина. Бюл.47, 1987.

25. Конструктивные особенности водосбросных сооружений Александровского гидроузла в составе ЮУЭК, 5 научно-техническое совещание Гид-

ропроекта, Реферативный сборник докладов, М., 1987, (соавторы Б.Т.Кимлач, Л.Л.Левицкий). ___________ ______________

26._ A.c.. N—1381234,"""'Бетонная плотина, Бюл. 10, 1988, (соавтор Л.Л.Левицкий).

27. A.c. N 1477825, Плотина, Бюл.17, 1989, (соавтор Ю.Б. Мгалобелов).

28. A.c. N 1511319, Бетонная плотина, Бюл. 36, 1989.

29. A.c. N 1511320, Бетонная плотина, Бюл. 36, 1989.

30. A.c. N 1565949. Бетонная плотина, Бюл. 19, 1990.

31. A.c. N 1606590, Бетонная плотина, Бюл. 42, 1990.

32. A.c. N 1661269, Бетонная плотина, Бюл. 25, 1991.

23. A.c. N 1678964, Гравитационная плотина, Бюл. 35, 1991.

34. A.c. N 1698356, Бетонная плотина, Бюл. 46, 1991.

35. A.c. N 1701799, Напорное сооружение, Бюл. 48, 1991.

36. A.c. N 170 9003, Бетонная плотина, Бюл. 4, 1992.

37. A.c. N 1715946, Бетонная плотина, Бюл. 8, 1992.

38. A.c. N 1740536, Массивно-контрфорсная плотина, Бюл. 22, 1992.

39. Бетонная плотина, Положительное решение от 27.02.92 по заявке 4938077/15.

40. А.с.№1825838, Бетонная плотина, Бюл.25, 1993

41. Landau Y.A., Mgalobelov Y.B., Structural decisions and peculiarities of static work of dams from rammed concrete, International Symposium of RCC Dams, China, 1991, p.65-75.

42. Mgalobelov Y.B., Landau Y.A., New constructions of arch clams, International Symposium of arch Dams, China, 1992.

43. Landau Y.A., Possibilities of increasing dam-foundation reliability by front apron design. Water Power and Dam Construction, N 7, 1993.

44. Landau Y.A . Mgalobelov Y.B., Non-Traditional Concrete Dam Construction on Rook Foundation, A.A. Balkema Publisher, (в печати).

45. Новые конструктивно-технологические решения плотин из укатанного бетона в суровых климатических условиях, Энергетическое строительство, №5, 1994.