3. (63) Бетонные плотины

Арочными плотинами называют криволинейные в плане водоподпорные сооружения, работающие как свод или оболочка и сопротивляющиеся действию горизонтальных нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья.

Горизонтальные сечения арочных плотин (арки) обычно имеют круговое очертание с нормальным опиранием пят арок в берега. Поперечные профили арочных плотин (консоли) весьма различны по форме и в ряде случаев назначаются криволинейными по вертикали.

По характеру работы на основную сдвигающую нагрузку — горизонтальное давление воды — арочные плотины принципиально отличаются от гравитационных. В арочных плотинах силы сопротивления по подошве сооружения, зависящие от веса сооружения, принимают малое участие в работе плотины против сдвига. Устойчивость их обеспе­чивается в основном за счет упора сооружения в берега. Это позволяет проектировать арочные плотины с весьма малой толщиной, определяемой лишь условием прочности материала сооружения.

Профили арочных плотин значительно более обжаты по сравнению с профилями гравитационных плотин и характеризуются так называемым коэффициентом стройности β — относительной толщиной плотины, равной β=е₀/H, где е₀ — толщина плотины у основания; Н — высота плотины.

Для тонких арочных плотин β<0,2 для гравитационных плотин β=0,6÷0,8. Наиболее стройными из построенных арочных плотин являются плотины Толла — β=0,023 ÷ 0,048 и Вайонт — β=0,084 и др. Таким образом толщина арочных плотин (и, следовательно, объем бетона на 1 м длины) меньше, чем гравитационных в 2 — 4, иногда в 6 — 8 раз и более. Общая экономия бетона вследствие криволинейности арочных плотин в плане несколько меньше и для современных арочных плотин составляет 35 — 65 %.

Для весьма стройных арочных плотин экономия бетона может достигать и больших значений. Так, в арочной плотине Гаж (Франция), имеющей H=38 м, е_о=1,8 м и β=0,047, объем бетона составил 18 % объема бетона в гравитационной плотине.

При определении экономичности арочных плотин следует учитывать, что к бетону арочных плотин предъявляются более высокие требования, и, следовательно, его стоимость выше, чем в гравитационных плотинах, однако удорожание 1 м³ бетона обычно не превышает 10— 15 %.

Высокая экономичность арочных плотин при одновременной их надежности объясняет их широкое распространение.

Классификация арочных плотин. По относительной толщине профиля — коэффициенту стройности различаются следующие типы арочных плотин: тонкие β<0,2; толстые β=0,2÷0,35; арочно-гравитационные β>0,35.

Коэффициент стройности арочной плотины определяют обычно по размерам арочной части плотины, исключая местные утолщения (например, в виде "пробки", которая иногда устраивается в нижней части плотины).

По высоте арочные плотины разделяют на три категории: низкие—до 40 м; средней высоты 40 — 100 м; высокие— более 100 м.

По форме различают: арочные плотины с одной кривизной, поверхность которых имеет кривизну только в горизонтальном направлении (цилиндрические) и с двоякой кривизной; при значительном искривлении профиля по высоте плотины называются купольными.

По характеру сопряжения с основанием различают следующие типы арочных плотин: с упругой заделкой пят; с контуром (периметральным) швом; со швами или швами-надрезами, устраиваемыми в нижней части опирания сооружения.

По способу пропуска воды арочные плотины бывают: глухие, не имеющие устройств для сброса воды; водосбросные, с поверхностными или глубинными отверстиями.

По материалу арочные плотины могут быть: каменные, бетонные, железобетонные. Как правило, арочные плотины строят бетонными; железобетонные арочные плотины строят редко, каменные в настоящее время не строят.

Существуют и другие менее характерные признаки классификации арочных плотин, например, различают арочные плотины в узких или широких (L/H>3÷3,5) створах, в симметричных или несимметричных ущельях и т. д.

Для обеспечения прочности основания в зоне примыкания плотины в зависимости от качества скального массива предусматривают: удаление верхнего слабого слоя скалы; устройство укрепительной цементации скалы и места контакта бетона со скалой; проведение расчистки и заполнения бетоном крупных трещин и полостей; устройство в слабой скале специальных конструкций (стенок, контрфорсов) для передачи нагрузки от плотины на прочные зоны породы; анкеровку недостаточно устойчивых и прочных массивов скалы; защиту склонов скалы слоем бетона.

Укрепительная цементация скалы производиться под подошвой плотины на глубину 10-30 м в зависимости от прочностных и деформативных характеристик скального массива.

Противофильтрационные мероприятия предусматривают устройство цементационных и дренажных завес. Они устраиваются как в основании плотины, так и в береговых ее примыканиях. В основании плотины зывесы выполняются вертикальными или несколько наклонёнными в стороны ВБ. Для береговых участков предпочтителен разворот в сторону ВБ, что особенно важно для устойчивых береговых примыканий плотины.

Гравитационные плотины – это такие плотины, устойчивость и прочность которых при воздействии внешних нагрузок обеспечиваются их собственным весом. Материалом для гравитационных плотин в основном служит бетон.

По высоте бетонные плотины подразделяют на низкие (высотой до 40 м), средней высоты (от 40 до 100 м) и высокие (высотой более 100 м). По степени массивности профиля различают массивные и облегченные гравитационные плотины. Гравитационные плотины подразделяют по их назначению на глухие и водосбросные (последние могут быть с поверхностным водосливом или глубинными отверстиями).

Достоинства бетонных гравитационных плотин:

а) простые геометрические формы, позволяющие применять широкую механизацию бетонных работ и использовать прогрессивные типы опалубки;

б) благоприятные условия для создания необходимого термического режима в строительный период, важно при возведении плотин в районах с суровым климатом;

в) применения жестких бетонных смесей с малым содержанием цемента;

г) относительно малая чувствительность к нарушениям технологии возведения; д) низкая стоимость 1 м³ уложенного бетона.

Недостатки бетонных гравитационных плотин:

а) относительно большие объемы бетона по сравнению с облегченными типами плотин (арочными, контрфорсными);

б) недостаточное использование прочностных свойств бетона;

в) чувствительность к температурным воздействиям эксплуатационного периода и невозможность искусственного регулирования термического режима тела плотины;

г) неравномерное и неблагоприятное распределение напряжений в основании.

Теоретический профиль плотины имеет вид треугольника. Необходимо соблюдение четырех условий: I. Технические условия 1) устойчивость на сдвиг; 2) отсутствие растягивающих напряжений; 3) максимальное главное нормальное напряжение в бетоне не должно превышать допустимого. II. Экономическое условие 4) Поперечный профиль плотины должен иметь минимальную площадь.

Конторфорные плотины состоят из отдельно стоящих контрфорсов, пространство между которыми перекрыто напорной конструкцией ввиде плит, арок, уплотнений. Отюда их классификация, по типу напорного перекрытия- массивноконтрфорсные, могоарочные, с плоским перекрытием..

Если в основании прочная скала, то нагрузка передается непосредственно основанию. Если в основании слабая скала, то производится частичная фундаментация. Если основание не скальное, то сплошная фундаментная плита.

Для прочности между контрфорсами устананвливают поперечные балки. Противофильтрационные мероприятия как у гравитационных плотин. Устойчивость обеспечивается: противодавлением со стороны НБ, отсутствием взвещивающего давления, у плотин без фундаментной плиты.