Автореферат диссертации (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 6

В сверхвысоких плотинах в узких створах сжимающиенапряжения могут быть сопоставимы с прочностью бетона на сжатие. Этоможет приводить к появлению в экранах ряда плотин (Mohale, Barra Grande идр.) вертикальных трещин. Вертикальные межсекционные швы в силу своеймалой толщины и жёсткости применяемых для их уплотнения материалов(дерево, ПВХ) не состоянии компенсировать эти сжимающие напряжения.а) широкий створб) узкий створРисунок 13 - Характер распределения минимальных главных напряжений нанизовой грани ЖБЭ.Обозначения см. на рисунке 9.Для сверхвысоких плотин (около 200 м) НДС оказывается оченьнеблагоприятным, т.к.

величины напряжений в ЖБЭ почти пропорциональновозрастают с ростом высоты плотины.Наибольшее значение для НДС ЖБЭ имеет деформируемость каменнойнаброски. Только этот фактор может обеспечить благоприятные условияработы ЖБЭ. Однако снижение деформируемости каменной наброски в N раз,приводит к уменьшению растягивающих напряжений примерно в N раз,поэтому необходимо очень тщательное уплотнение камня.

По результатамрасчётов для обеспечения прочности бетона ЖБЭ на растяжениедеформируемость каменной наброски должна соответствовать модулюдеформации не ниже 200 МПа для плотин высотой 100 м и не ниже 300 МПадля плотин высотой 200 м.Кроме того, было проведено методическое исследование по влияниютемпературных воздействий на трещиностойкость экрана. Были проведенырасчёты НДС для условной расчётной схемы, предусматривающей равномерноепо толщине и высоте нагревание или остывание ЖБЭ на 20C.

Такоетемпературное воздействие могло бы вызвать в бетоне очень значительныетемпературные напряжения. Однако расчёты показали, что этого не происходит– благодаря податливости каменной наброски ЖБЭ имеет свободу деформаций,что позволяет компенсировать температурные напряжения. При модуле26деформации каменной наброски 60 МПа охлаждение экрана на 20C приводит кпоявлению растягивающих температурных напряжений величиной лишь0,6 МПа. Это показывает, что каменно-набросные плотины с ЖБЭ могут иметьперспективы применения даже в суровых климатических условиях.

Болееопасным воздействием для ЖБЭ являются ледовые нагрузки при измененииуровня водохранилища.Глава 6 посвящена исследованиям напряжённо-деформированногосостояния конструкций высоких плотин с массивными ПФЭ, выполненными изматериалов на основе цемента. Массивные ПФЭ могут быть устроены изгрунтоцементных смесей, полученных различными способами. Это могут бытьгрунтоцементы, грунтоцементобетон, камень, упрочнённый цементнымрастворов, грунтоцементный массив, закреплённый путём цементации.Один из вариантов конструкции плотины – это плотина с ЖБЭ, в которойподэкрановая зона выполняется из камня, упрочнённого цементным раствором,т.н. грунтоцементобетона предложение проф. Л.Н.Рассказова). Идея этоговарианта (рисунок 14) заключается в том, что подэкрановая зона изгрунтоцементобетона сгладит изгибные деформации экрана, создаст вторуюлинию противофильтрационной защиты, а самое главное – сделаетконструкцию ремонтопригодной.2152101662443III1793III0Рисунок 14 - Конструкция каменно-набросной плотиныс массивным негрунтовым двухслойным экраном.1 – упорная призма из горной массы; 2 – железобетонный экран;3 – подэкрановая зона из грунтоцементобетона; 4 – защитная призма изгрунтов; I, II, III – очереди строительства.Расчёты показали, что ЖБЭ и подэкрановая зона из грунтоцементобетонаработают как единый широкий двухслойный экран.

Их напряжённое состояниев основном определяется условиями сопряжения со скальным основанием.Если жёсткую подэкрановую зону опереть непосредственно на скалу, тонижняя часть двухслойного экрана будет испытывать значительный изгиб иогромные растягивающие напряжения на верховой грани.27Была предложена иная схема опирания, которая позволила добиться того,чтобы железобетонный экран находился в сжатой зоне. Однако тогдарастяжение станет испытывать грунтоцементобетонная подэкрановая зона.Вариант ПФЭ в виде ЖБЭ и подэкрановой зоны из грунтоцементобетона можетбыть работоспособным только в случае очень качественного уплотнениякаменной наброски (при достижении E>350 МПа).Другой из вариантов конструкции – когда массивный экран изгрунтоцементобетона дублируется уложенной на него полимернойгеомембраной.

Такая конструкция реализована в 1996 году в Албании вплотине Bovilla (Бовилла) высотой 81,6 м. Полимерный экран из ПВХ сверхузащищён железобетонными плитами.Расчёты показали, что благодаря высокой растяжимости полимераводонепроницаемости многослойного экрана не нарушается даже впериметральном шве. Учитывая длительный срок службы полимеров вусловиях отсутствия доступа кислорода и благоприятного температурногорежима, можно рекомендовать применение подобной конструкции длястроительства и более высоких плотин.

Данный вывод подтверждается опытомприменения в 2010 году ПВХ-геомембраны для ремонта плотины Turimiquire(Венесуэла) высотой 113 м.Ещё один из рассмотренных вариантов – каменно-набросная плотина смногоярусной инъекционной завесой (рисунок 15), которая имеет большуютолщину и может быть классифицирована как ядро.23323516180IIВУППЦI0IIIНУП12 ПОРисунок 15 - Конструкция каменно-набросной плотиныс противофильтрационным элементом в виде инъекционной завесы.Ц – инъекционная завеса; ВУП – верховая упорная призма; НУП – низоваяупорная призма; О – скальное основание; I, II, III – очереди строительства.Наше исследование позволило выявить, что надёжная работаинъекционной завесы (без нарушения прочности на растяжение) может бытьдостигнуто только в том случае, если модуль деформации её материала будетне более, чем в 3÷5 раз превышать модуль деформации грунта тела плотины.При этом деформируемость каменной наброски должна быть существенноснижена путём тщательного уплотнения.28Данный вариант конструкции является экономически невыгодным итехнически сложным для применения в сверхвысоких плотинах.Глава 7 посвящена оценке эффективности способов повышениянадёжности каменно-набросных плотин с железобетонными экранами путёмкомбинирования ПФЭ.

Рассматривались варианты последовательногосоединения тонкостенных ПФЭ, а также вариант устройства комбинированнойплотины.Идея использования комбинированной плотины состоит в том, чтобызаменить наиболее проблемную, нижнюю, часть грунтовой плотины с ЖБЭ набетонное сооружение.

В результате получается плотина, в которой напор водывоспринимается как грунтовым, так и бетонным сооружением, расположеннойв нижней части грунтовой насыпи.Расчёты проводились на примере конструкции плотины New Exchequer, вкоторой высота бетонной части составляет 99 м, а грунтовой плотины – 150 м(рисунок 16).Расчёты показали, что узел сопряжения ЖБЭ с телом бетонной плотиныявляется недостаточно надёжным.

Это связано с различием в жёсткостибетонной и грунтовой частей сооружения. Смещения грунтовой насыписущественно больше, чем у бетонной, поэтому грунт на контакте между нимиможет испытывать разуплотнение и проскальзывание. Это ведёт значительнымподвижкам в периметральном шве, отделяющий экран от бетонной плотины, инарушению его водонепроницаемости.

Полученный результат подтверждаетсяопытом эксплуатации плотины New Exchequer (США), дважды подвергавшейсяремонту. 263,8 267,93 216,421 117,44Рисунок 14 - Схема устройства комбинированной плотины.1 – бетонное сооружение, 2 – каменная наброска, 3 – ЖБЭ, 4 – основание.Наиболее удачной является плотина с комбинацией ЖБЭ ипротивофильтрационной стены, выполненной методом «стена в грунте». В этомварианте стена пересекает нижнюю часть плотины и слой нескальногооснования, а ЖБЭ является ПФЭ в верхней части плотины (рисунок 17).29 87НПУ 80Э 29IIIII0IСО -22,5Рисунок 17 - Схема устройства плотины с комбинацией ЖБЭ и «стены вгрунте»I – перемычка, II, III – очереди строительства каменно-набросной плотины,Э – ЖБЭ, С – «стена в грунте», О – слой нескального грунта основания.Расчёты показали, что в такой плотине оба ПФЭ находятся вблагоприятном НДС.

Стена, выполненная из глиноцементобетона, неиспытывает существенных сжимающих усилий и изгибных деформаций, т.к.она вынесена на край профиля плотины. Её прочность на сжатие и растяжениеобеспечивается. ЖБЭ, не имеющий связи со скальным основанием, неиспытывает существенных деформаций изгиба и растягивающих усилий, анаходится в состоянии сжатия. Данная конструкция плотины обеспечиваетнадёжную работу плотины при обеспечении надёжности сопряжения ЖБЭ ипротивофильтрационной стены.