Автореферат диссертации (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 5

Чтобы определить условия формирования фильтрационных нагрузок насваи, были проведены фильтрационные расчёты в пространственнойпостановке для случая нестационарного режима.Расчёты показали, что нарастание фильтрационных нагрузок на сваипроисходит довольно быстро, но скорость их нарастания в большей степениопределяется схемой и скоростью возведения стены. Т.к. буросекущиеся сваивозводятся медленно, со скоростью 1÷2 сваи в сутки, то процесс формированияфильтрационной нагрузки занимает несколько суток (рисунок 7).Рисунок 7 - Изменение уровней фильтрационного потока вокруг сваи привозведении стены в грунтеЕсли стена возводится в две очереди (через одну сваю), то этот процессещё больше растягивается по времени. Поэтому к моменту формированияфильтрационных сил глиноцементобетон сможет набрать 40÷60% прочности.С точки зрения прочности стены более опасным является случай, когда кмоменту формирования фильтрационных нагрузок, глиноцементобетон ужезатвердеет, т.к.

в этом случае из-за низкой деформируемости он становитсяболее восприимчив к изгибным деформациям. Расчёты показали, что опасностьмогут представлять местные, локальные изгибные деформации, которыевозникают на тех участках стены, которые пересекают зоны фильтрационныхнарушений.При расчётах НДС Курейской плотины моделировались просадки телаплотины и образование в нём зон грунта нарушенной структуры.Расчёты показали, что если использовать в стене литойглиноцементобетон (E<200 МПа), то растягивающих напряжений в стене не20возникнет – они будут “задавлены” собственным весом стены.

Если стенувыполнить из железобетона, в ней неминуемо образуются трещины.Исследования работы стен, изначально устраиваемых в качествепротивофильтрационных диафрагм грунтовых плотин, были проведены напримере строящейся Нижне-Бурейской плотины и плотины Гоцатлинской ГЭС.Расчёты НДС диафрагмы для условий Нижне-Бурейской плотиныпоказали, что диафрагма, устроенная методом «стена в грунте», может бытьнадёжным противофильтрационным элементом этой средненапорной плотины(высотой 39 м), если модуль деформации её материала не превысит 500 МПа.Более сложные условия работы характерны для диафрагмы в теле иосновании Гоцатлинской плотины (высота 69 м) (рисунок 8).

Припроектировании данной плотины специалисты Гидроспецпроекта предложилиальтернативный вариант её конструкции – плотину с многояруснойдиафрагмой, выполненной из буросекущихся свай. Каждый ярус диафрагмыимеет высоту около 30 м, ярусы соединяются друг с другом через плиты,заранее уложенные в тело плотины.замок669НПУ 667629600IIIIIIII610577,5Рисунок 8 - Конструкция высокой грунтовой плотины с диафрагмой,возведённой поярусно методом «стена в грунте». I,II,III – ярусы стены.Расчёты в плоской постановке показали, что условия каждого из ярусовсильно различаются.

Средний и нижний ярусы (в отличие от верхнего)испытывают сжимающие усилия от осадок тела плотины и основания. Самоенеблагоприятное НДС имеет нижний ярус диафрагмы, пересекающий слойнескального основания. Его прочность на сжатие может быть обеспеченатолько при условии применения глиноцементобетона с E<500 МПа. Возводитьдиафрагму из бетона – не допустимо, т.к. тогда сжимающие усилия в нижнемярусе превысят прочность бетона на сжатие, а в среднем и верхних ярусахследует ожидать появления растягивающих напряжений после наполненияводохранилища.Были проведены исследования работы многоярусной диафрагмы и впространственной постановке, т.к. створ плотины довольно узкий.

Расчётыпоказали, что в условиях узкого створа НДС диафрагмы в целом становитсяболее благоприятным. За счёт влияния скальных бортов уменьшаются осадки исмещения плотины и самой диафрагмы, соответственно уменьшаютсяиспытываемые ею сжимающие усилия и изгибные деформации. Однако дляНДС диафрагмы в пространственных условиях характерен изгиб диафрагмы в21своей плоскости. Он возникает из-за неравномерности осадок тела плотины – врусловой части они больше, чем у бортов.

За счёт этого изгиба в прибортовойобласти верхняя часть среднего яруса диафрагмы испытывает растягивающиенапряжения в направлении от борта к борту (рисунки 9, 10).а) 1б) 3III ярусIII ярусII ярусII ярусI ярусI ярусРисунок 9 - Характер пространственного НДС многоярусной диафрагмы при еёвозведении из глиноцементобетона (E=100 МПа) (сечение вдоль створа).Зелёным цветом выделены области “слабого” сжатия, голубым – повышенногосжатия, синим – области концентрации сжимающих напряжений, жёлтым –области “слабого” растяжения, оранжевым – повышенного растяжения.Если в качестве материала стены использовать глиноцементобетон сE=100 МПа, то эти напряжения оказываются невелики (до 0,3 МПа), если жебетон – то неизбежно расхождение строительных швов между отдельнымибуросекущимися сваями (рисунок 10).а) 1б) 3III ярусIII ярусII ярусII ярусI ярусI ярусРисунок 10 - Характер пространственного НДС многоярусной диафрагмы приеё возведении из железобетона (сечение вдоль створа).Обозначения см.

на рисунке 9.Глава 5 посвящена исследованиям работы каменно-набросных плотин сжелезобетонными экранами (ЖБЭ). Основной их целью являлось выявлениепричин образования трещин в экранах построенных высоких и сверхвысоких22плотин. Несмотря на наличие численных исследований в этой области,выполненных другими авторами, в настоящее время нет исчерпывающегоанализа работы плотин с ЖБЭ.Нами были проведены численные исследования для абстрактной плотиныс ЖБЭ высотой 100 м и 200 м.

Они проводились как для случая линейнодеформируемой, так и для упруго-пластической среды. Исследовалось влияниетаких факторов как деформируемость каменной наброски, последовательностьвозведения и загружения плотины, а также форма створа.Расчёты показали, что при восприятии гидростатического давлениянаибольшие изгибные деформации возникают в нижней части ЖБЭ, ониприводят к образованию на низового грани растягивающих напряжений внаправлении вдоль откоса.Аналитическим методом для приближённой расчётной схемы былополучено, что величины продольных напряжений, возникающих на граняхэкрана при изгибе, могут быть определены по формуле:Eбв  t,(6)2 Em 1 mгде E,  – соответственно модуль деформации и коэффициент боковогорасширения каменной наброски;Eб – модуль деформации железобетона экрана;γв – удельный вес воды;t – толщина экрана;m – заложение верхового откоса.Растягивающие напряжения от изгиба обычно невелики.

Однако есть ещёодна причина трещинообразования в ЖБЭ – наличие в нём растягивающихпродольных усилий. Было обнаружено, при наполнении водохранилища из-засмещений тела плотины в сторону нижнего бьефа железобетонному экранучерез трение передаются продольные усилия. Эти усилия часто растягивающие,экран испытывает удлинение от смещений (рисунок 11). Косвеннымподтверждением наличия растягивающих усилий ЖБЭ служит то, чтопрактически на всех плотинах периметральный шов, отделяющий экран отоснования, раскрывается при наполнении водохранилища. Таким образом, намибыло опровергнуто мнение о том, что ЖБЭ каменно-набросных плотин всегданаходится в состоянии двухосного сжатия.Растягивающие продольные усилия несут существенно бóльшуюопасность, чем изгибные деформации, т.к.

ведут к образованию растягивающихнапряжений на верховой грани экрана. Растягивающие напряжения на низовойграни могут очень значительны и превышать прочность бетона на растяжение.Соответственно тогда в ЖБЭ образуются поперечные трещины. Дляминимизации в ЖБЭ растягивающих напряжений необходимо уменьшатьдеформации каменной наброски, особенно при сдвиге.23Рисунок 11 - Схема деформаций ЖБЭ при восприятии гидростатическогодавления верхнего бьефа.Зелёной линией показано положение экрана после деформаций.Для случая линейно деформируемой среды и схемы возведения плотиныбез очередей были выполнены исследования по влиянию деформируемостикаменной наброски на НДС ЖБЭ (коэффициент Пуассона принимался равным0,25).

Они позволили получить приближённые эмпирические зависимости поопределению максимальных прогибов экрана U max(м) и максимальныхnmaxрастягивающих напряжений в нём  прод(Па):1 Pводы,(7)2 Emax.(8)прод10  106 U maxnЗдесь E – модуль деформации каменной наброски (Па);2H вбPводы   в– сила горизонтального гидростатического давления на плотину2со стороны верхнего бьефа (Н/м); Hвб – глубина воды в верхнем бьефе.Анализ показывает, что для того, чтобы растягивающие напряжения вплотине высотой 100 м снизились до приемлемых для железобетона значений(2÷3 МПа), необходимо, чтобы модуль деформации E каменной наброскиплотины составил не менее 200 МПа. Анализ натурных данных показывает, чтоE находится в интервале от 100 до 500 МПа, поэтому на ряде построенныхплотин есть опасность трещинообразования в ЖБЭ.Исследованияпоказали,чтоучётнелинейностихарактерадеформирования каменной наброски приводит к уменьшению значенийрастягивающих напряжений примерно на 15÷20%.

Это объясняется тем, чтогидростатическое давление воспринимается плотиной уже после того, как грунтуплотнился под действием собственного веса. Однако качественную картинуНДС ЖБЭ учёт нелинейности не изменяет.Было показано, что большую роль на формирование НДС ЖБЭ оказываетпоследовательность возведения и загружения плотины. Если строительствоплотины и наполнения водохранилища ведётся очередями, то это благоприятносказывается на НДС ЖБЭ.

Это объясняется тем, что под действием весаплотины более поздних очередей строительства экран получает сжимающиеU maxn24продольные усилия, а его прогибы уменьшаются. При возведении плотины в 2очереди растягивающие напряжения в ЖБЭ могут уменьшаться в 1,5÷2 раза взависимости от высоты первой очереди.Исследования НДС ЖБЭ реальной плотины Агуамилпа высотой 187 м,для которой имеются данные натурных наблюдений за осадками тела плотиныи прогибами экрана, позволили выявить ряд интересных особенностей работыплотин данного типа.

Было выявлено, что зонирование камня в профилеплотины может негативно сказаться на НДС ЖБЭ. Это происходит в случае,если деформируемость камня в разных зонах плотины сильно различается. Порезультатам моделирования оказалось, что модуль деформации каменнойнаброски в верховой части плотины достигает 500 МПа, а в низовой составляетлишь около 30 МПа. В такой плотине осадки экрана оказываются больше повеличине, чем смещения.

Это вызывает появление в нём значительныхрастягивающих усилий. Если бы тело плотины было однородным, с модулемдеформации 200 МПа, то НДС экрана оказалось бы существенно болееблагоприятным. Рекомендуется выполнять каменно-набросные плотиныблизкими к однородным.Исследования работы плотины в пространственных условиях былипроведены при использовании нелинейной модели грунта. Исследованияпроводились для створов разной геометрии. Варьировалась высота плотины(100 м, 200 м), ширина русловой части створа (от 24 Н до 2,2H, где H – высотаплотины) и наклон скальных бортов (заложение 0,5; 1; 1,5 или 2). В пересчётена модель линейно-деформируемой среды рассматривались варианты смодулем деформации каменной наброски около 70÷80, 140÷160 и280÷320 МПа.Расчёты показали, что, несмотря на то, что в узких створах осадки исмещения плотины и ЖБЭ заметно уменьшаются, нижняя часть низовой граниэкрана испытывает растяжение.

Область растягивающих напряженийрасполагается широкой полосой вдоль контакта плотины со скальнымоснованием (рисунок 12). Наличием этих напряжений могут быть объясненопоявление в экранах ряда плотин наклонных трещин, повторяющих контурырельефа местности (например, Campos Novos, Xingo).а) широкий створб) узкий створРисунок 12 - Характер распределения максимальных главных напряжений нанизовой грани ЖБЭ.Обозначения см. на рисунке 9.25Периметральной шов на бóльшей части своей длины раскрывается.Помимо раскрытий в периметральном шве происходят смещения и в другихнаправлениях – краевые прогибы экрана и его подвижки вдольпериметрального шва.Исследования выявили ещё одну особенность НДС ЖБЭ впространственных условиях – наличие сжимающих напряжений в направленииот борта к борту. Наибольший уровень сжатия характерен для плотин в узкихстворах (рисунок 13б).