автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Рациональные параметры бетонных плотин составного профиля на скальном основании

На правах рукописи

БЕТОННЫХ ПЛОТИН СОСТАВНОГО ПРОФИЛЯ НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ

Специальность 05 23.07 - "Гидротехническое строительство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ • ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена на кафедре "Гидротехнические сооружения" Санкт - Петербургского государственного политехнического университета

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Кандидат технических наук, профессор Е М. Драницын

Доктор технических наук, профессор Б. Е. Мельников

Кандидат технических наук С. М. Гиюбург

Ведущая организация: ОАО Ленгидропроект

Защита состоится " 14 " февраля 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.229.15 при Санкт - Петербургском государственном политехническом университете по адресу 195251, г. Санкт - Петербург, ул. Политехническая, 29,111 К, 411 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " " -------------------- 200 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор А. Е. Андреев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. При проектировании бетонных гравитационных плотин, особенно на предварительной стадии проектирования, возникает необходимость назначать их параметры, главными из которых являются ширина плотины по основанию и заложение граней. Для плотин, профиль которых представлен однородным материалом, существуют некоторые рекомендации по выбору таких параметров. Для плотин, профиль которых составлен бетонами нескольких классов, обладающих различными физико-механическими свойствами (к таковым можно отнести массивные плотины с зональным распределением бетона, массивные контрфорсные плотины, у которых оголовки и контрфорсы выполнены из различных бетонов, плотины, выполненные с применением укатанного бетона, и т. п.), подобные рекомендации в общем случае практически отсутствуют.

В то же время сегодня все в большем масштабе в гидротехническом строительстве усматривается тенденция к проектированию и возведению плотин, профили которых составлены из бетонов с различными деформационными характеристиками, при этом в средней зоне модуль упругости бетона, как правило, меньше, чем в наружных зонах.

Поэтому являются актуальными задачи по разработке методики статического расчета таких плотин и рекомендаций по выбору их рациональных параметров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка методики статического расчета массивных гравитационных плотин составного профиля и рекомендаций по выбору их рациональных параметров. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Выбор расчетной схемы и определение расчетных нагрузок и воздействий.

• Определение напряжений в горизонтальных сечениях плотины, в том числе на горизонтальном контакте (рхкальном основанием.

БИБЛИОТЕКА С.Петеебург

С.Иетепбург ГЛ I ОЭ Э&иОУ '

---- — -1

• Определение экономичных параметров гравитационных плотин составного профиля, удовлетворяющих одновременно условиям прочности и устойчивости против сдвига.

• Анализ влияния различных факторов на основные параметры гравитационных плотин составного профиля

• Рекомендации по назначению рациональных параметров гравитационных плотин составного профиля.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Дано решение для определения наклона верховой грани и минимальной ширины гравитационной плотины по скальному основанию из условия отсутствия растягивающих напряжений у верховой грани и обеспечения ее устойчивости против сдвига для основного эксплуатационного случая. Даны рекомендации по выбору рациональных параметров гравитационных плотин составного профиля (из разномодульных бетонов). Разработана программа CONCRDAM на языке BORLAND С"14".

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Результаты проведенных исследований предназначены для использования в проектных организациях. Они дают возможность определять рациональные параметры гравитационных плотин на предварительной стадии проектирования по заданным исходным материалам без вариантного рассмотрения расчетных профилей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры "Гидротехнические сооружения" инженерно-строительного факультета и на научных конференциях СПбГПУ.

ПУБЛИКАЦИЯ. По материалам диссертации опубликованы шесть печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 114 стр. машинописного текста, включает 57 рисунков, 11 таблиц и список литературы, содержащий 82 наименований, из них - 20 на иностранных языках.

Во введении обосновывается актуальность и новизна выбранной темы диссертации, определяется цель работы, намечены основные задачи исследования и приведены сведения о структуре и объеме диссертации.

В первой главе выполнен краткий обзор и анализ существующих методов определения основных параметров гравитационных плотин, отвечающих минимальному объему бетонной кладки.

Основными критериями, определяющими искомые параметры плотины, являются условие отсутствия растягивающих напряжений у верховой грани и условие устойчивости против сдвига по горизонтальной поверхности скального основания.

В работе показано, что практически все существующие в настоящее время методы определения экономичных параметров бетонных гравитационных плотин предлагаются для однородных профилей, т.е. выполняемых из материала, обладающего одинаковыми свойствами по всему объему расчетной секции ( М. Леви, Е. Линк, В. И. Дворяшин, В. П. Скрыльников, М. М. Гришин, Л. К. Доманский, К. А. Боярский, Ш. И. Лавут, Р. Приску, Ж. Радзиевский и др.).

Наиболее полное решение задачи по нахождению оптимальных параметров гравитационных массивных, облегченных и контрфорсных плотин однородного профиля дано В. И. Телешевым. Решение этой задачи построено автором на совместном рассмотрении двух уравнений, отвечающих указанным выше условиям.

Обзор литературы показал, что на сегодняшний день практически отсутствуют какие-либо рекомендации по определению параметров бетонных плотин составного профиля, т.е. плотин, выполненных из бетонов различных классов, обладающих различными физико-механическими свойствами, к которым можно отнести массивные плотины с зональным распределением бетона по профилю, контрфорсные плотины, у которых оголовки и контрфорсы выполняются, как правило, из различных бетонов, а также плотины, выполненные из вибрированного и укатанного бетона.

В литературе встречаются лишь результаты исследований напряженного состояния плотин составного профиля. В частности, Р. М. Раппопорт методами теории упругости исследовала напряженное состояние клина бесконечной протяженности с радиальными линиями раздела между отдельными зонами из разнородных материалов, нагруженного сосредоточенной силой и моментом, приложенными к вершине, равномерно распределенным и гидростатическим давлениями, действующими по граням, и собственным весом.

Для решение этой задачи рядом авторов предлагается использовать метод конечных элементов, который позволяет также учитывать влияние основания.

Что же касается определения экономичных и рациональных параметров такого рода плотин, следует заметить, что на сегодняшний день известно решение, полученное Н. А. Башаром, который предлагает аналитические зависимости общего вида для определения основных параметров гравитационных плотин из укатанного и вибрированного бетона, отвечающих условию отсутствия растягивающих напряжений на контакте плотины с основанием и обеспечивающих требуемую устойчивость плотины против сдвига по горизонтальному контактному сечению.

В его работе рассмотрен частный случай массивной гравитационной плотины, у которой средняя часть профиля выполняется из укатанного бетона, а наружные зоны - из вибрированного бетона одного класса.

Других работ по этому вопросу на сегодняшней день не обнаружено, что указывает на актуальность разработки методики определения оптимальных размеров плотин составного профиля.

Во второй главе разрабатываются в общем виде зависимости для определения на предварительной стадии проектирования вертикальных нормальных напряжений в горизонтальных сечениях бетонных плотин составного профиля на скальном основании.

Для решения задачи используется метод сопротивления материалов с применением гипотезы плоских сечений, предполагающей линейное распределение вертикальных напряжений в расчетном горизонтальном сечении в условиях плоской задачи.

За расчетный принимается треугольный профиль гравитационной плотины высотой Н1 с вершиной на отметке НПУ и подошвой АВ на скальном основании (рис. 1). Толщина расчетного профиля принята равной расстоянию £>7 между секционными (деформационными) швами (для массивных плотин можно принять £)/ = 1,0 м).

Расчетный профиль плотины состоит из трех частей - двух наружных и внутренней, различающихся в общем случае как толщиной так и

физико-механическими характеристиками слагающих их материалов -модулями упругости (Е1^Е2^Е3) и объемными весами (у/^уг^з), где индексы 'Г, '2' и '3' присвоены соответственно верховой, низовой и внутренней частям (рис. 1.6). При ширине профиля плотины по основанию Ь, ширины верховой и низовой частей составляют соответственно Ъ,=к,Ъ и Ь2=к2Ь.

В соответствии со СНиП 2.06.06-85 на предварительной стадии проектирования состав основных расчетных нагрузок может быть ограничен собственным весом плотины, силовым воздействием воды на грани плотины и противодавлением на подошву плотины, что и принято в настоящей работе..

Действительное расчетное неоднородное горизонтальное сечение секции плотины заменяется приведенным однородным, размеры которого

вдоль оси плотины изменяются пропорционально отношению модулей £

упругости, т.е. £> = Ц

ь,

Геометрические характеристики приведенного однородного сечения, а именно: площадь Б, расстояние от центра тяжести сечения до верховой грани хА, момент инерции I и моменты сопротивления и выражены через

соответствующие безразмерные коэффициенты, отражающие особенности расчетного приведенного сечения по отношению к аналогичным характеристикам "полного" однородного сечения шириной Ь и толщиной О,:

иг-^-'-Н&К1-1'-«-

1-

А е2 а я. г2

»

2

а

■ = *,= 4

1-(1-Д>)[(1-Аг),+(1-А2)*1+*12]-

(1) (2)

(3)

1 к^ ^^ • к] ^ * \ 6 6

Нормальные вертикальные напряжения ау в горизонтальных сечениях

плотины составного профиля определяются по формуле внецентренного сжатия:

УГРГ рг .

I- <5>

где И- сумма всех вертикальных сил; М0 - момент всех действующих на расчетную секцию плотины сил относительно оси ОХ , проходящей через центр тяжести О приведенного сечения; д:, - абсцисса точки сечения, в которой определяются напряжения.

Для краевых точек А и В расчетного горизонтального сечения напряжения ау имеют следующий вид;

где

НПУ

Рис. 1

(8)

(9)

к А, В — В ^ Зкр-к;; | .

А,В —

(10)

Полученное решение является общим и может быть использовано практически для всех типов бетонных гравитационных плотин, в частности, выполненных с применением укатанного бетона, облегченных и контрфорсных, в том числе с плоскими жесткими (бетонными, железобетонными) и гибкими (металлическими, пленочными) напорными перекрытиями, если на предварительной стадии весом последних можно пренебречь.

Сопоставление результатов расчета предлагаемым методом с расчетами по МКЭ показывает их удовлетворительную качественную и количественную сходимость, достаточную для практических целей. Это дает основание утверждать, что для определения рациональных параметров плотин составного профиля на предварительной стадии проектирования можно использовать традиционные нормативные критерии прочности и устойчивости, применяемые при проектировании однородных бетонных плотин.

В третьей главе разрабатывается методика определения минимальной ширины плотины Ь по основанию и соответствующего ей коэффициента заложения и верховой грани составного профиля плотины, отвечающих минимуму объема бетонной кладки при удовлетворении условий прочности и устойчивости против сдвига. Предлагаются рекомендации по выбору рациональных параметров, удовлетворяющих выше указанным условиям

одновременно и оценивается экономическая эффективность использования разномодульного бетона в конструкциях гравитационных плотин.

Из условий прочности бетонных плотин, регламентируемых СНиП 2.06.06-85, в качестве определяющего при решении поставленной в настоящей работе задачи принято условие отсутствия растягивающих вертикальных нормальных напряжений у верховой грани плотины на ее горизонтальном контакте со скальным основанием:

МА ^

Из этого условия с учетом (6) относительная ширина плотины по основанию как функция от коэффициента заложения верховой грани, имеет вид:

и -пр. + .1п2р2. +4а.(1+п2)

н\ ¿и л

Неразрывная и вполне определенная функция /¡(п) имеет минимум при коэффициенте заложения верховой грани (рис. 2)

(13)

Ра

"эк ~ Г—1- •

Минимальное значение относительной ширины плотины при этом получается равным:

(14)

Лт„ у1Р2а+4О.а '

Условие устойчивости плотины против сдвига по горизонтальной поверхности скального основания в предельном состоянии записывается в виде:

= + (15)

'"'/с

где /0=-Ьй_/, с0=-^—С—\ (16)

™/с УпУ/с УН1

Усс1, У , У -соответственно коэффициенты условий работы,

Ус

надежности и сочетания нагрузок; Я = Ы/ + Рс - обобщенная несущая способность сооружения; f ,с- расчетные сдвиговые характеристики основания (коэффициент трения и сцепление), Л'-равнодействующая всех вертикальных сил; Р - площадь сечения основания плотины; ()-равнодействующая горизонтальных сил.

Решение уравнения (15) дает зависимость /2 (") для определения относительной ширины плотины по основанию, удовлетворяющей условию устойчивости против сдвига:

(1-я/о)

Л-+

м-*)

/о + 2 С0

-(1-^)0-*.-*.)

1-я/о (17) 6

Физический смысл

предлагаемого решения

заключается в нахождении точки пересечения функций /(и) и /2(и) -точка Ф на рис.2., координаты которой

дают искомые значения — и

Рис.2.

п.

Задача нахождения второго параметра

(коэффициента п) экономичного профиля плотины может быть решена и аналитически -одновременным удовлетворением условиям прочности и устойчивости, т. е. решением уравнения / (п)=/2 (и). Это решение дает следующее выражение для коэффициента заложения верховой грани:

Анализ формулы (18) показывает, что при решении конкретных задач в зависимости от характеристик скального основания могут встретиться два возможных случая:

1) п<пж, 2) п>пэк (19)

В первом случае (точка Ф1 ) определяющим для назначения параметров плотины является условие прочности. В этом случае наклон верховой грани принимается равным иж, а относительная ширина плотины определяется по формуле (14 ). Условие устойчивости при этом выполняется с определенным запасом. В случае, когда пк<0 ( при этом /^<0 ), минимум бетонной кладки может быть достигнут лишь при наклоне верховой грани в сторону верхнего бьефа. Однако такая конструкция плотины вызывает определенные технологические неудобства при ее возведении, к тому же в строительном случае у низовой грани могут появиться растягивающие напряжения. Поэтому с практической точки зрения целесообразно напорную грань плотины принимать вертикальной, т.е и=0. Относительная ширина плотины при этом определится по формуле.

= (20)

Я,

Во втором случае параметры плотины соответствуют координатам точки пересечения Ф функций /(и) и /2(н), т.е относительная ширина плотины и наклон верховой грани удовлетворяют одновременно условиям прочности и устойчивости против сдвига в предельном состоянии. Наклон верховой грани в этом случае следует принимать равным найденному значению п (18), а относительную ширину плотины определять по формуле (12) или (17).

Анализ влияния физико - механических характеристик скального основания на параметры плотины показал, что его можно условно

подразделить на два типа: « прочная » скала и « слабая » скала. Термин « прочная » скала ( зона В на рис. 3 ) следует отнести к первому, а термин « слабая » скала ( зона А на рис. 3 ) ко второму из рассмотренных выше двух случаев. Для известных характеристик скального основания /0 и с0, определяющихся по формулам (16), по графику на рис.3 устанавливается тип скального основания (зона А или В). В случае попадания в зону А (точка СО, для определения ширины плотины используются формулы (12) или (17). В другом случае, для зоны В (точка Сг), она определяется по формуле (20).

С целью оптимизации внутреннего строения параметров плотины составного профиля в работе проведены исследования по определению рациональных размеров верховой и низовой зоны. Результаты исследований показывают, что для достижения экономичного профиля таких плотин верховую зону следует выполнять как можно меньшей ширины. Вместе с тем для обеспечения водонепроницаемости плотины такая зона (или экран, что менее экономично) должна быть предусмотрена

Исходя из фильтрационной прочности, с учетом условий производства работ рекомендуется принимать ширину верховой зоны равной (1/15-5-1/20 )Н1

или А, =0,07*0,1.

Увеличение модуля упругости низовой зоны (оголовка) по отношению к модулю упругости верховой зоны (оголовка) сказывается благоприятно на напряженном состоянии плотины, т.е. ведет к уменьшению ее ширины (рис.4).

При увеличении ширины к2 низовой зоны из бетона с модулем упругости Е2 > ширина плотины уменьшается, достигая минимума, как показывают исследования, для массивных и контрфорсных плотин без низового оголовка в зависимости от соотношения модулей упругости соответствующих зон при к2 = 0,2 ч-0,35 (рис. 5 а, б ).

В общем виде выражение для (к2)ор1 для выше указанных плотин можно представить в виде:

— -массивная гравитационная плотна -о- -«онтрфорсная плотина

Рис.3. Области "слабой " и " прочной " скалы

Рис.4. Влияние модуля упругости Ег низовой зоны (оголовка) на ширину массивной (а) и контрфорсной (б) плотины.

ор1

V *з+*<

СОЯ"

п 1

—+—агссов 3 3

1+*3*,3

где

.¡1-Щ

I Щ)

1+кгк;

ГШ!

(21)

ЦЕ,

Анализ результатов исследований показывает, что при отсутствии низовой зоны (к2=0 ) ширина плотины по основанию всегда оказывается не менее ширины однородной плотины. Поэтому для получения определенного экономичного эффекта от применения разномодульного бетона относительная ширина низовой зоны должна приниматься не менее

Л-!«!!««. 1-13,5^-^(1-*,) }, (22)

но не более определяемой по (21). Для контрфорсной плотины с верховым и низовым оголовками минимум ширины достигается при Аг2 =0,4+0,6 (рис. 5с), но для таких плотин значение относительной ширины низовой зоны рекомендуется принимать к2 =0,05+0,1 из условия минимума относительного объема бетонной кладки ( рис. 6).

В четвертой главе рассматриваются влияние различных факторов на параметры профиля плотины. Интенсивность уменьшения относительной ширины плотины увеличивается с увеличением толщины низового оголовка. Влияние изменения толщины низового оголовка на наклон верховой грани более ощутимо в случае однородной плотины, наклон верховой грани резко уменьшается, а в случае составной плотины его значения практически остается постоянным. Объем плотины при этом в случае однородной плотины увеличивается, для составной плотины его значения практически остается постоянным.

Рис.5. Влияние ширины низовой зоны (оголовка) с модулем упругости Е2 массивной (а), контрфорсной без низового оголовка (Ь) и с массивными оголовками (с) плотины.

Рис. 6. Объем массивной неоднородной (а), контрфорсной неоднородной без низового оголовка (б) и с массивными оголовками (с) по отношению к однородной массивной плотине

Уменьшением толщины контрфорса по высоте увеличивается ширина плотины по основанию, наклон верховой грани. Объем бетона практически не меняется. Существенное влияние на параметры профиля плотины, а также на общий объем профиля плотины, как показывают результаты проведенные исследования, оказывает неоднородность профиля плотины. Учитывая некоторые технологические неудобства производства работ во время возведения таких плотин, рекомендуется принимать толщину контрфорса по высоте постоянной.

Анализ расчетов по влиянию разницы в объемных весах различных зон на оптимальные размеры профиля плотины показал, что с увеличением объемного веса средней зоны при одинаковых объемных весах верховой и низовой зон ширина плотины уменьшается, но незначительно, а увеличение объемного веса низовой зоны существенного влияния на ширину плотины также не оказывает. Отсюда следует, что на предварительных стадиях проектирования объемные веса всех зон можно принимать одинаковыми, что дает некоторый запас.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ результатов выполненной работы позволяет сделать следующие

выводы и рекомендации.

1. Получены зависимости для определения вертикальных нормальных напряжений в горизонтальных сечениях бетонных гравитационных плотин составного профиля, выполненных с применением бетонов различных классов.

2. Определены экономичные параметры бетонных гравитационных плотин составного профиля, отвечающие минимуму объема бетона и удовлетворяющие одновременно условию отсутствия растягивающих напряжений и условию устойчивости против сдвига.

3. Определены область « прочной » скалы, когда экономичные параметры определяются условием прочности, а условие устойчивости при этом удовлетворяется с запасом, и область « слабой » скалы, когда экономичным параметрам отвечает профиль, удовлетворяющий одновременно условиям прочности и устойчивости в предельном состоянии.

4. Даны рекомендации по назначению оптимальных размеров наружных зон профиля, отвечающих минимуму объема бетона, в зависимости от соотношения модулей упругости.

5. Выполнен анализ влияния на экономичные параметры плотины различных факторов, в частности, изменения толщины низовой зоны, разницы удельных весов соответствующих зон, переменности толщины контрфорса по высоте, переменности ширины наружных зон по высоте и положения уровня воды в нижнем бьефе.

6. Разработана программа CONCRDAM на языке BORLAND С** для определения рациональных параметров массивных гравитационных и контрфорсных плотин практически любого внутреннего строения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абдуллаев А. С, Драницын Е. М. Оптимальные параметры

гравитационных плотин из укатанного бетона на скальном основании. // Российская научно- техническая конференция. " Инновационные наукоемкие технологии дня России " 25-27 апреля 1995, Санкт Петербург.

2. Абдуллаев А. С, Драницын Е. М. Рациональные параметры гравитационной плотины из разномодульного бетона. // Труды СПбГТУ №475, 1998, с 217-222.

3. Абдуллаев А. С, Драницын Е. М. Оптимизация внутреннего строения профиля бетонной гравитационной плотины. // Современные научные школы: перспективы развития, 1998, Санкт Петербург.

4. Абдуллаев A.C. Определение рациональных параметров контрфорсных плотин составного профиля из условия отсутствия растягивающих напряжений. // Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения (4-я Международная конференция), 2001, Санкт- Петербург.

5. Абдуллаев А. С, Драницын Е. М. Проект водозаборного сооружения для водообеспечения Фермерского хозяйства в массиве Коккорево Всеволожского района. // XXXIV Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно- технической конференции студентов и аспирантов. 4.1. Спб.: Изд-во Политехи, у-та (в печати).

6. Абдуллаев A.C. К определению параметров плотины составного профиля. // XXXTV Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно- технической конференции студентов и аспирантов. 4.1. Спб.: Изд-во Политехи, у-та (в печати).

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 22.11.2005. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 183Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14

Тел./факс: 247-57-76

/Г£3

145 3

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАССМАТРИВАЕМОГО ВОПРОСА.

1.1. Выводы.

2. НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЯХ БЕТОННОЙ ПЛОТИНЫ СОСТАВНОГО ПРОФИЛЯ

НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ.

2.1 Расчетная схема

2.2. Расчетные нагрузки и воздействия.

2.2.1. Собственный вес.

2.2.2 Силовое воздействие воды.

2.2.2.1. Давление воды на верховую грань плотины.

2.2.2.2. Давление воды на плотину со стороны нижнего бьефа

2.2.2.3. Противодавление.

2.3. Геометрические характеристики расчетного приведенного сечения.

2.4. Нормальные вертикальные напряжения в горизонтальных сечениях плотины составного профиля.

2.5. Примеры расчета.

2.5.1. Массивная контрфорсная плотина.

2.5.2. Массивная гравитационная плотина.

2.6. Выводы.

3. ЭКОНОМИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛОТИНЫ ИЗ СОСТАВНОГО БЕТОНА ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ И 47 УСТОЙЧИВОСТИ.

3.1. Основные положения.

3.2. Ширина плотины по условию отсутствия растягивающих напряжений.

3.3. Ширина плотины по условию устойчивости против сдвига

3.4. Ширина плотины из условия одновременного выполне- 62 ния условий прочности и устойчивости.

3.5. Параметры экономичного профиля.

3.6. Оптимизация внутреннего строения профиля плотины.

3.6.1. Рациональная ширина верховой зоны.

3.6.2. Оптимальная ширина низовой зоны.

1). Массивная гравитационная плотина.

2). Массивная контрфорсная плотина без низового оголовка.

3). Массивная контрфорсная плотина с низовым и верховым оголовками одной ширины.

3.6.3. Выводы.

4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ 87 ПРОФИЛЯ ПЛОТИНЫ.

4.1. Влияние разницы плотности бетона.

4.2. Влияние изменения толщины низового оголовка на ширину плотины по основанию.

4.3. Влияние изменения толщины контрфорса по высоте на 90 ширину плотины по основанию.

4.3.1. Постоянная толщина контрфорса

4.3.2. Переменная толщина контрфорса

4.4. Влияние разницы плотности бетона на ширину плотины по основанию.

4.4.1. Влияние глубины воды в нижнем бьефе.

4.4.2. Ширина плотины из условия ст^>0 ЮО

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. При проектировании бетонных гравитационных плотин, особенно на предварительной стадии проектировании, возникает необходимость назначать их параметры, главными из которых являются ширина плотины по основанию и заложение граней. Для плотин, профиль которых представлен однородным материалом, существуют некоторые рекомендации по выбору таких параметров. Для плотин, профиль которых составлен бетонами различных классов, обладающих различными физико-механическими свойствами (к таковым можно отнести массивные плотины с зональным распределением бетона, массивные контрфорсные плотины, у которых оголовки и контрфорсы выполнены из различных бетонов, плотины, выполненные с применением укатанного бетона, и т. п.), подобные рекомендации в общем случае практически отсутствуют.

В то же время сегодня все в большем масштабе в гидротехническом строительстве усматривается тенденция к проектированию и возведению плотин, профили которых составлены из бетонов с различными прочностными характеристиками, при этом в средней зоне модуль упругости бетона, как правило, меньше, чем в наружных зонах.

Поэтому являются актуальными задачи по разработке методики статического расчета таких плотин и рекомендаций по выбору их рациональных параметров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Разработка методики статического расчета массивных гравитационных плотин составного профиля и рекомендаций по выбору их рациональных параметров. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Выбор расчетной схемы и определение расчетных нагрузок и воздействий.

• Определение напряжений в горизонтальных сечениях плотины, в том числе на горизонтальном контакте со скальном основанием.

• Определение экономичных параметров гравитационных плотин составного профиля, удовлетворяющих одновременно условиям прочности и устойчивости против сдвига.

• Анализ влияния различных факторов на основные параметры гравитационных плотин составного профиля

• Рекомендации по назначению рациональных параметров гравитационных плотин составного профиля.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Дано решение для определения наклона верховой грани и минимальной ширины гравитационной плотины по скальному основанию из условия отсутствия растягивающих напряжений у верховой грани и обеспечения ее устойчивости против сдвига. Даны рекомендации по выбору рациональных параметров гравитационных плотин составного профиля ( из разномодульных бетонов ). Разработана программа CONCRDAM на языке BORLAND С".

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Результаты проведенных исследований предназначены для использования в проектных организациях. Они дают возможность определять рациональные параметры гравитационных плотин на предварительной стадии проектирования по заданным исходным материалам без вариантного рассмотрения расчетных профилей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры "Гидротехнические сооружения" инженерно-строительного факультета и на научных конференциях СПбГПУ.

ПУБЛИКАЦИЯ. По материалам диссертации опубликованы шесть печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 114 стр. машинописного текста, включает 57 рисунков, 11 таблиц и список литературы, содержащий 82 наименований, из них - 20 на иностранных языках.

выводы и рекомендации:

1. Получено полное решение определения напряжений в горизонтальном сечении на контакте плотины с основанием как для массивных гравитационных плотин составного профиля, так и для контрфорсных плотин, как с постоянной, так и с переменной толщиной и шириной контрфорса по высоте, состоящих из трех частей - внутренней и двух наружных, различающихся в общем случае как толщиной (Д так и физико-механическими характеристиками слагающих их материалов - модулями упругости {Ех и удельными весами (ух ^ у2 ^ у3).

2. Получено, что для массивно контрфорсных плотин составного профиля определяющим параметром является экономичный наклон верховой грани, удовлетворяющий условию прочности в предельном состоянии.

Найден наклон верховой грани п1, отвечающий условию устойчивости и условию прочности в предельном состоянии. При окончательном выборе параметров плотин сопоставляется пж с п1. В случае п1 < пэк, определяющим параметром профиля плотины является условие прочности в предельном состоянии, а условие устойчивости выполняется с избытком. В случае п1 > пж, определяющим параметром профиля плотины является одновременное выполнение условия устойчивости и условия прочности в предельном состоянии. Таким образом, выбранные параметры являются рациональными, удовлетворяющими условиям устойчивости и прочности.

3. Включение низового оголовка с модулем упругости большим, чем у верхового оголовка, с толщиной, равной толщине верхового оголовка и с шириной к2 =0,05-5-0,1 благоприятно влияет на ширину плотины по основанию. Ширина плотины уменьшается, объем бетона при к2= 0 и к2 =0,05-^-0,1 фактически не меняется. Ширина плотины при к2 = 0 больше, чем ширина плотины при к2 = 0,1. Это характерно для всех значений модулей упругости низовой зоны Е2 больших, чем у верхового оголовка.

4. Рекомендуется толщину контрфорса принять минимальной и равной D3 =(0,3-i-0,5) D,, так как увеличение толщины контрфорса увеличивает объем бетона плотины, а также, учитывая определенные технологические неудобства при возведении контрфорсных плотин, толщину контрфорса принять по всей высоте постоянной.

5. Разработана программа CONCRDAM на языке Borland С"14" для подсчета рациональных параметров массивно-гравитационных и массивно-контрфорсных плотин составного профиля, соответствующих двум основным критериям. Первый - условие отсутствия растягивающих напряжений у верховой грани, т. е. ауА = 0 (условие прочности) на контакте плотины с основанием и второй - условие устойчивости плотин против сдвига по горизонтальному контактному сечению.

6. На основе одновременного удовлетворения условиям прочности и устойчивости в предельном состоянии получены зависимости для определения экономичных параметров плотины из составного бетона, анализ которых позволил определить область « слабой » скалы, когда экономичным параметрам отвечает профиль наклоненной в сторону нижнего бьефа напорной грани п, >пЭК, и область « прочной » скалы, когда экономичные параметры определяются условием прочности, а условие устойчивости приобретает некоторый запас.

7. Выполнены исследования по оптимизации профиля плотины из составного бетона, результаты которых позволили найти оптимальные соотношения между размерами частей профиля из составного бетона в зависимости от неоднородности профиля.

8. Получено, что при разности удельных весов изменение ширины плотины составного профиля незначительно, следовательно, при расчетах значение удельных весов во всех зонах можно принимать одинаковыми, т.е. Г1=Г2=Гз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов выполненной работы позволяет сделать следующие

1. Анисимов Н. И. « Водохранилищные плотины ». Москва Огиз - Стройиздат, 1931 г.

2. Белзецкий С. И. « Статика сооружений » том 1, вып. 1. С. Петербург, 1914.

3. Белзецкий С. И. « О расчете водоудержательных плотин и подпорных стен по методам теории упругости», Петербург, 1919г.

4. Беляков А. А., Беляков А. А. Возможность применения малоцементного бетона при строительстве Туруханской ГЭС. Энергетическое строительство, №1.

5. Бетонные плотины (на скальных основаниях) Гришин М. М., Розанов Н. П.,и др. М.: Стройиздат, 1975. -352 с.

6. Боярский К. А. Графики для выбора профиля облегченной массивной плотины. Информ. Сборник Ленгидэпа, №9.-1960

7. Василевский В. В., Судаков В. Б., Сильницкий В. И. Опытное применение укатываемых бетонных смесей в зимних условиях на строительстве Бурейской ГЭС Энергетическое строительство. 1987, №1. - С.8 - 12.

8. Галеркин Б.Г. К исследованию напряжений в плотинах и подпорных стенах трапециодального профиля, 1033.

9. Гравитационная плотина Ташкумырской ГЭС из укатанного бетона В. Б. Судаков, М. А. Картелева, С. М. Гинзбург и др. В кн.: Материалы конф. и совещ. по гидротехнике: гидротехнический бетон и его работа в сооружении. - М.: ВНИИГ,1984. - с.56-66.

10. Гутман С. Г. Выбор очертания водоудерживающих плотин треугольного профиля. Изв. ВНИИГ. - т.У1, 1932.

11. Гутман С. Г. Известия ВНИИГ, выпуск IX, XI, X XII VI,

12. Дворянин В.И., Фильтрация гравитационных плотин на скальных основаниях. ОНТИ, 1938.

13. Дворяшин В. И. Расчет гравитационных плотин. ВИА,1938.

14. Демин В. Ф. Рекомендации по применению закрепляющих составов на основе фенолоспиртов и суммарных сланцевых фенолов. JL 1975 г.

15. Демин В. Ф. Рекомендации по применению закрепляющих составов на основе фенолоспиртов и суммарных сланцевых фенолов. Глубинные методы закрепления. Смолизация обзор. Л. 1971 г.

16. Доманский J1. К., Лавут М. И. Подбор профиля массивно-контрфорсных плотин. Инф. Сборник Ленгидэпа, № 17, 1960.

17. Доманский Л. К. Некоторые вопросы проектирования экономического профиля массивных бетонных плотин на скальном основании. Инф. Сборник Ленгидэпа, № 9, 1960.

18. Дятловский Л. И., Гаркави О. Я. « Исследование напряжений в гравитационных плотинах на скальном основании ». Изв. ВНИиГ им. Веденеева 1952г., т.9 (XVI).

19. Емельянов Л. М. Исследование задач теории упругости и сопротивления материалов для определения напряжений в гравитационных плотинах., // Испытание Днепровской плотины, ч1, 1937.,под ред.проф. Нилендера Ю. А.

20. Зельцман О. М., Аникапов К. А. И др. Опыт применения жесткого малоцементного укатываемого бетона на строительстве

21. Курейской ГЭС Энергетическое строительство. 1986, №11. - с.31 -35.

22. Калинович Б. Ю. «Начало теории бетонных плотин» Л. Госстройиздат, 1934.

23. Караджи К. М. «Указания по статическому расчету бетонных гравитационных плотин» Новая-каховка, 1958.

24. Келен. Н. И. «Арочные и контрфорсные плотины» Москва-Ленинград, 1938г.

25. Коган Е. А., Мгалобелов Ю. Б., Ульянова Е. А. Конструкции плотин из укатанного бетона Энергетическое строительство. 1988, №1. - с.З - 7

26. Клебанов В. Б. Технология возведения плотины Аппер Стилуотер из укатанного бетона Энергетическое строительство. -1989, №1.

27. Лошак В. К., Смирнова Л. Н., Соколов В. В., Тарасов Ю. А. Применение укатанного бетона в низовом канале плотины Бурейской ГЭС Энергетическое строительство. 1988, №1.

28. Линк Е. Построение профиля плотин. Государственное научно техническое издательство строительной индустрии и судостроения. Издание второе. 1932.

29. Натурные наблюдения и исследования на сопрягающей стенке Ташкумырской ГЭС В. С. Шангин, С. М. Гинзбург, М. А. Картелева и др. Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. - 1988. - Т.206. -С.20 - 30.

30. Начало строительства плотины Аппер Стилуотер из укатываемой бетонной смеси. Экспресс - информация. Серия гидроэнергетика за рубежом ,1984. - Вып. 10 (Информэнерго).

31. Нормы и технические условия проектирования бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях (СН 123- 60 ) М.: Госстройиздат, 1961.-175 с.

32. Олешкевич Л. В. Облегченные гравитационные плотины на скальных основаниях. М.: Госстройиздат, 1961. (ВНИИ ВОДЕО).

33. Олешкевич Л. В К выводу о статическом расчете гравитационных плотин на скальных основаниях (СН 123-60) М., Госстройиздат, 1961.

34. Осипов А. Д., Курочкин Н. В. Стоимость строительства плотин из укатанного бетона Энергетическое строительство за рубежом. 1986. - № 6.

35. Осипов А. Д. Методы строительства бетонных плотин из укатанного бетона в Японии Энергетическое строительство за рубежом. 1985. - № 5.

36. Осипов А. Д. Плотины из укатанного бетона в Южной Америке Энергетическое строительство за рубежом. 1989. - № 5.

37. Особенности укатанного бетона как материала для плотин В. Б. Судаков, М. А. Картелева, В. С. Шангин, А. Ф. Зеленин.- С.66 73.

38. Раппопорт Р. М. Расчет плотин и подпорных стен составного треугольного профиля. Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. - 1948. - Т.36. - С.74 - 89.

39. Рекомендации по применению укатанных бетонов в гидротехническом строительстве П 25 85. - ВНИИГ , 1985. С.21.

40. Розанов Н. С., Судаков В. Б. Проектирование и строительство больших плотин. Вып. 2. Пути удешевления и ускорения строительства бетонных плотин. - М.: Энергоиздат,1981. -160 с.

41. Синицын А. П. Распределение напряжений у основания плотин треугольного профиля, Вестник ВИА РККА им. В. В. Куйбышева м.,1937, №20

42. Скрыльников В. П. Плотины гравитационные, -Госстройиздат, 1933.

43. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные. М.:Стройиздат, 1985. - 38 с.

44. Соколов И. Б. Определение сил противодавления с учетом напряженного состояния бетона гидросооружений. «ГТС», 1963, №12, стр. 19-22.

45. Соколов И. Б., Логунова В. В. Фильтрация и противодавление воды в бетоне гидротехнических сооружений. М.: Энергия, 1977. 296 с.

46. Судаков В. Б. И др. Пути строительства гравитационных плотин из укатанных блоков. Л.: Энергоиздат, 1981.С.37.

47. Судаков В. Б., Картелева М. А., Гинсбург С. М. И др. Технология возведения гравитационных плотин Ташкумырской ГЭС из укатанного бетона. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, 1984. - Т. 177. -С.22 - 23.

48. Судаков В. Б. Строительство плотин из укатанного бетона. М.: Информэнерго, 1988. - С. 54.

49. Судаков В. Б. Технология возведения плотины Аппер Стиллуотер из укатанного бетона Энергетическое строительство за рубежом. 1989.

50. Судаков В. Б., Толкачев JI. А. Современные методы бетонирования высоких плотин. М.: Энергоатомиздат, 1988.

51. Судзуки Т. и др. Строительство бетонных плотин на р. Симадзи с уплотнением укладываемого бетона катками.»Добоку сэко », 1979. Т.20. - С. 11 - 20. На япон. языке (Перевод ЦНИИТЭС строймаш № БП-80-13382. - М.,1980. - 34 е.).

52. Телешев В. И. Методика технико-экономического выбора профиля массивных и облегченных плотин. Изв. ВНИИГ им. Веденеева, 1968. - Вып. 87. - С.210 - 227.

53. Телешев В. И. Определение параметров профиля массивных и массивно-контрфорсных плотин Гидротехническое строительство. 1977 № 4. - С. 16

54. Телешев В. И. Исследование влияния различных условий на параметры оптимального профиля массивных и массивно-контрфорсных плотин. Труды Гидропроекта, 1973,№ 34. -С.153-163.

55. Телешев В. И. Технико-экономическое обоснование параметров профиля массивных и массивно-контрфорсных плотин. Метод. Указания для курсового и дипломного проектирования. Д.: ЛПИ, 1980.-38 с.

56. Технический прогресс в проектировании и строительстве высоких плотин (по материалам Конгресса СИГБ под ред. А. А. Борового). М.:Энергия, 1976. - 512 с.

57. Тельке Ф. Водохранилищные плотины (перевод с нем.) -Госстройиздат, 1957.

58. Фрейдман В. Б., Фролов Б. К., Шкарин В. П. Возведение плотины Уиллоу Крик (США) непрерывным методом из укатываемой бетонной смеси. Энергетическое строительство за рубежом. - 1983, №4.

59. Фролов А. Б. Уплотнение бетонной смеси катками на строительстве гидроузла Тарбела (Пакистан) / / Энергетическое строительство за рубежом. 1980, № 6.

60. Чугаев Р. Р. Гидротехнические сооружения. 4.1. -Глухие плотины. - М.: Агропромиздат, 1985.

61. Шангин В. С. Сопрягающая напорная стенка из укатанного бетона / / Энергетическое строительство, 1986. № 1. -С.32-37.

62. Шангин В. С. Технико-экономические показатели конструкций из малоцементного укатанного бетона / / Энергетическое строительство, 1991. № 7. - С.31 - 37.

63. F. Chraibi, J. Sterenberg / Design and construction of Moroccos Aoulouz RCC dam / International water Porew and dam construction 1991. March.

64. Another crash repaid pogrom bedins at Tarbela dam -Engineering News Record, 1977, Vol.199,oct. 6.

65. Construction of Tamagawa Dam by the RCD Method / T.Jamauchi, J. Harada, T. Okada, S. Shimade In.Transactions XV Congress ICOLD, Losanna, 1985, Vol. 2, Q 57, R.6.p.89 -115.

66. Dawson E. S., Dunstan M.R.H. Traill for a Prototype Rolled concrete Dam. Trans. Of the XIHth ICOld Congress, New Delhi, 1979, V.l, Q.48, R.35. p.647 - 660.

67. Dunstan M.R.H resent developments in roller Compacted concrete dam construction / Water Power Dam Construction. Handbook, 1989.

68. Dunstan M.R.H Areview of roller compacted Concrete dam in the 1980 s./ Water Porew and dam construction 1990. № 5

69. Hanson K. D. Roller compacted concrete, developments in the USA / International Water Power Dam Construction. 1986. №1

70. Johnson H. A. ,Chao P. C. Rollcrete usage at Tarbela dam. -Concrete International Desigh and Construction, 1979, Vol. 1, №11, p.20-33.

71. Levy. M. «Comptes Rendus» 1898 v. 127,-1908

72. Moffat A. I. B., Price A. C. The Roller Dry Lean Concrete Gravity Dam Water Power and Dam Construction, 1978, v.30, № 7, p. 35-42.

73. Rolled Concrete Triumphs Willow Creek dam Rolling -Engng. News Records, 1982. V. 209, October 21, № 17, p. 34-37.

74. Roller Compacted Concrete Rolling (Willow Creek Dam opens Floodgates for RCC Alternative ). -Engng. News - Records, 1983. V. 210, № 8, p. 25-26

75. Rydzewsky J. R. The desing of buttress dams of triangular profile and constant web thickness « Proc. Am. Soc. Civ. Eng.» № 9, 1930

76. Venkatesha C. R. Areriew on opplication of roller compacted construction method for concrete dams. Central board of irrigation and Power, 1985, Vol.42, № 1, p. 35-73.

77. Andre GOUBET. La fissuration des barrages en beton compacte, Bull Naison labo P.et ch. 162 Juil - 1989.

78. You Yoawu. // Hydraul Eng. 1995 №5, p.55-59.

79. The words RCC dams // Int. Hydropower and Dams. 1994.1, №2.-aHrji.

80. Water Power and dam construction, 1993 №2, p. 33-32.

81. Water Power and dam construction, 1991 №9, p. 32-36.

82. The state of the art of RCC dams. Dunstan M. // Int. Hydrcpower and Dams. 1994.- 1, №2, р.44-50.-англ