Диссертация (1141446), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Известно несколько случаев строительства комбинированных плотин:плотины New Exchequer в США [Reitter], New Yesa в Испании [Garcia, Maestro,Dios…; Dios, Garcia, Cea Azañedo…], Yacambú в Венесуэле и Sagamoso вКолумбии [Ляпичев], Ohtsumata Dam в Японии [Моисеев, Моисеев], Bovilla вАлбании. Все перечисленные плотины представляют собой комбинациюбетонной гравитационной плотины (или подпорной стены) и каменно-наброснойплотины с экраном.
В первых четырёх экран – железобетонный, а в плотинеOhtsumata – асфальтобетонный, а в плотине Bovilla – полимерный. Комбинация154бетонной призмы с другими противофильтрационными элементами грунтовойплотины является менее надёжными [Саинов, Котов, 2011].Второй тип плотин комбинированной конструкции – это каменнонабросныеплотиныскомбинациейпротивофильтрационныхэлементов.Наиболее эффективными комбинациями противофильтрационных элементов втеле грунтовой плотины являются, по-видимому, комбинация ЖБЭ инъекционнойзавесой [Заирова, Филиппова, Орищук, Созинов, Радченко] или с вертикальнойдиафрагмой.
В Китае плотина Хенгшан с бетонной диафрагмой высотой 55 мбыла надстроена путём строительства с низовой стороны плотины высотой 70 м сЖБЭ. Учитывая, что при строительстве плотины на нескальном основании впоследнем устраивается конструкция типа «стена в грунте», целесообразнорассмотреть вариант комбинации в плотине двух противофильтрационныхустройств – вертикальной диафрагмы, устроенной методом «стена в грунте», иЖБЭ.Таким образом, задачами наших исследований будут являться:1)исследованиеработыкомбинированнойплотины,вкоторойпротивофильтрационным элементом грунтовой части является ЖБЭ,2)исследование работоспособности плотиныс комбинацией двухтонкостенных противофильтрационных элементов – ЖБЭ и вертикальнойдиафрагмы.7.2. Исследования НДС комбинированной плотиныНаиболее известными примерами комбинированных плотин являютсяплотины New Exchequer [Reitter] и New Yesa [Garcia, Maestro, Dios…; Dios, Garcia,Cea Azañedo…].
Обе эти плотины появились в результате наращивания бетоннойплотины путём строительства за ней более высокой каменно-набросной плотиныс ЖБЭ. Плотина New Exchequer была построена в 1968 г. На момент завершениястроительства эта плотина являлась самой высокой каменной плотиной сжелезобетонным экраном. В ней бетонная гравитационно-арочная плотина имеет155высоту 100 м, а каменно-набросная – 150 м. Плотина New Yesa была построена в2007 г. с учётом опыта наращивания плотины New Exchequer. В комбинированнойплотине New Yesa высотой 116,7 м бетонная часть имеет высоту 76,5 м.Плотина New Exchequer была выбрана нами как объект численныхисследований НДС комбинированной плотины1. В плотине New Exchequerбетонное сооружение имеет обжатый профиль с заложением низовой грани 0,6, атакже фундаментную плиту, расширяющую подошву плотины до 80,6 м.Заложение верховой и низовой граней каменно-набросной плотины составляет1,4.
Сопряжение железобетонного экрана с бетонной плотиной происходит навысоте 56 м от подошвы плотины. Это сопряжение осуществлено с помощьюбетонного блока, отделённого от экрана деформационным швом [Reitter]. Междублоком и бетонной плотиной устроен шов, заполненный асфальтом. Под блокомбыла устроена асфальтовая подушка.Для исследований была составлена численная модель сооружения и егоскального основания (рисунок 7.1). На контакте жёстких (бетонных илискальных) материалов с грунтовыми, а также между собой в сетку МКЭвводились контактные конечные элементы. Сетка МКЭ включает в себя 970элементовсплошнойсредыи72контактныхэлемента,с кубическойаппроксимацией перемещений.
Общее количество степеней свободы составило9958.Модули деформации принимались: для железобетона – 29000 МПа, длябетона – 20000 МПа, для основания – 5000 МПа. При моделировании скальногооснования учитывалась возможность его хрупкого разрушения при нарушениипрочности на растяжение или сжатие. Тело каменно-набросной плотиныпринималось однородным. Свойства наброски соответствовали варианту №1x.Исследованияпроводилисьсучётомпоследовательностисозданиякомбинированной плотины.
Сначала воссоздавалась работа бетонной плотины, а1Болееподробновработах[СаиновМ.П.,ФедотовА.А.Анализнапряженно-деформированного состояния…; Саинов М.П., Федотов А.А. Анализ сейсмостойкостикомбинированной плотины…]156потом моделировалось послойное строительство каменно-набросной плотины ипостепенное заполнение водохранилища до 263,8 м. Всего было рассмотрено 29расчётных этапов.Рисунок 7.1 - Сетка МКЭ для плотины New Exchequer.1 – старая бетонная гравитационная плотина, 2 – насыпь камня новой плотины,3 – полускальное основание, 4 – железобетонный экран новой плотины.Проведённыеисследованияпозволилоценитьработоспособностькомбинированной плотины, которая определяется надёжностью бетонногосооружения, ЖБЭ, а также узла сопряжения бетонной и грунтовой частей.Максимальныепоэтапностирасчётныевозведения)осадкисоставилигрунтовой150 смплотины(рисунок 7.1(сучётомПриложения), агоризонтальные смещения – 51 см (рисунок 7.2 Приложения).Бетонное сооружение не может следовать за большими перемещениямигрунтовой насыпи, поэтому она вынуждена самостоятельно восприниматьдополнительное гидростатическое давление верхнего бьефа, практически непередавая его на грунтовую насыпь.
При подъёме уровня водохранилищабетонная плотина получила дополнительные горизонтальные смещения 5,9 см нагребне и 1,2 см у подошвы (рисунок 7.1 Приложения).157Горизонтальные смещения вызвали появление в скальном основаниирастягивающие напряжения x (рисунок 7.3 Приложения) и образование переднапорной гранью субвертикальной трещины глубиной 35 м. Прочность контактабетонного сооружения со скальным основанием не нарушается по всей длинеподошвы.Поднизовойграньюбетоннойплотиныобразоваласьзонаконцентрации сжимающих напряжений x (рисунок 7.3 Приложения) и y(рисунок 7.4 Приложения).На контакте наклонной низовой грани бетонной плотины с грунтовой былополучено проскальзывание грунта относительно бетона вследствие нарушениясдвиговой прочности. Это не позволило грунтовой плотине «зависнуть» набетонной плотине и передать на неё дополнительную вертикальную нагрузку.Кроме того, в верхней части этого контакта произошло разуплотнение грунта.Вследствие этого боковое давление грунтовой насыпи на бетонную плотинуоказалось мало и не превысило 1,0 МПа в нижней части, а в верхней части онопрактически отсутствует.Это неблагоприятно сказалось на НДС бетонного сооружения и контактадвух частей плотины.
Об уязвимости узла сопряжения двух частей плотиныговорят эпюры перемещений ЖБЭ (рисунок 7.5 Приложения).Максимальные горизонтальные смещения составляют 50 см (рисунок 7.5аПриложения), а осадки – 51,4 см (рисунок 7.5б Приложения). Оба этих значениянаблюдаются на высоте 80 м от подошвы плотины, т.е. в нижней части экрана.Перемещения гребня существенно меньше – 20,1 см (смещения) и 11,8 см(осадки). Большие перемещения ЖБЭ экран получает в зоне примыкания кбетонной плотине. Смещение ЖБЭ составило 40,4 см, а осадка 38,2 см.По данным натурных наблюдений за поведением плотины New Exchequer[Kearsey], при наполнении водохранилища наблюдались смещения осадки экрана455 мм.
Расчётные данные в общих чертах согласуются с натурными, учитывая,что мы решаем плоскую задачу.Вычисление перемещений в направлении, нормальном к верховому откосу(прогибов)показаловпериметральномшвепрогибсоставляет54,7 см158(рисунок 7.2а). Таким образом, периметральный шов должен воспринятьзначительные сдвиговые относительные смещения (свыше 50 см!).а)б)Рисунок 7.2 - Прогибы (а) и продольные перемещения (б) ЖБЭ (см)Кроме того, периметральный шов должен испытывать значительныераскрытия.
Т.к. горизонтальные смещения ЖБЭ по величине больше, чем осадка,то продольные перемещения направлены от бетонной плотины к гребнюгрунтовой (рисунок 7.2б). Из-за этого раскрытие периметрального шва по расчётусоставило около 10 см!Условия работы шва между ЖБЭ и бетонным сооружением – крайненеблагоприятные.Раскрытияисмещениявнёмпревышаютзначения,характерные для обычных каменно-набросных плотин. Поэтому в проектеплотиныNewExchequerвузлепримыканиябылапредусмотренаасфальтобетонная подушка.Неблагоприятным является и напряжённое состояние ЖБЭ в зонепримыкания к бетонному сооружению.
В верхней части экран сжат по обеимграням. За счёт изгиба экрана его верховая грань больше сжата в продольномнаправлении (3,5 МПа – рисунок 7.3а), чем низовая (2,6 МПа – рисунок 7.3б). Внижней части изгиб ЖБЭ выражен сильнее (рисунок 7.2а), поэтому его низоваягрань испытывает растяжение (рисунок 7.3б). При этом имеется участок159растягивающих напряжений на обеих гранях (до 3 МПа на верховой грани иоколо 4 МПа на низовой).а)б)Рисунок 7.3 - Продольные напряжения (МПа) на верховой (а) и низовой (б) граняхЖБЭЭти растягивающие усилия очень велики, но всё-таки могут бытьвосприняты арматурой. Непосредственно в зоне примыкания в экране образуютсязоны концентрации сжимающих (свыше 8 МПа на верховой – рисунок 7.3а) ирастягивающих (до 11 МПа на низовой – рисунок 7.3б) напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
