Устройство бетонного прилива со стороны верховой грани эксплуатируемой арочно-гравитационной плотины

Устройство относится к области  гидротехнического строительства, и может быть использовано применительно к бетонной арочно-гравитационной плотине (Фиг. 1). Устройство включает улучшение напряженно-деформированного состояния арочной плотины находящихся в эксплуатации (при невозможности сработки водохранилища), за счет конструктивного изменения проектного профиля со стороны верхнего бьефа с устройством монолитного железобетонного прилива, характеризующегося линейными размерами L, H и углом α (Фиг. 1). Данное устройство может использоваться также и на этапе проектирования, при выборе оптимального поперечного профиля плотины (с целью возможного уменьшения объема бетонных работ).
Из предшествующего уровня техники известно, что для эксплуатационного периода существует способ повышения надежности бетонной арочно-гравитационной плотины. Способ включает в себя снижение максимального безопасного уровня воды перед плотиной, против ранее установленного такого уровня, и осуществление теплового воздействия средствами на тело верхнего арочного пояса. На верхний арочный пояс и на вмещающие горные породы в местах примыкания пят верхового арочного пояса производят тепловое воздействие путем обогрева его полостей и посредством теплозащитной конструкции, которую располагают, по меньшей мере, со стороны низовой грани арочного пояса. На вмещающие горные породы – посредством выполненных в горных породах тепловых скважин. Температурное воздействие производят интенсивностью, обеспечивающей при уровнях воды перед плотиной, близких к сниженному максимальному безопасному уровню, уменьшение растягивающих напряжений в бетоне у верховой (напорной) грани плотины до безопасной величины. RU 2434993 С1, RU 2418911 С1.
Аналогично вышеописанному решению существует устройство регулирования напряженного состояния путем подогрева в холодное время года низовой грани бетонной гравитационной плотины, эксплуатируемой в суровых климатических условиях. Подогрев осуществляют посредством подачи по трубопроводам,  в поярусно расположенные с включением этой наружной части трубчатых теплообменников воды с температурой, превышающей на заданную величину среднемноголетнюю температуру наружного воздуха местности. Регулирование температурного режима бетонной плотины осуществляют посредством устройства, включающего уложенный в блок бетонирования плоский змеевик, длинные элементы которого расположены параллельно низовой грани плотины и короткими элементами соединены между собой. RU 2224067 C2.
Данные способы относятся к технологическому регулированию напряжено-деформированного состояния и повышения надежности арочно-гравитационной плотины (нагрев арочного пояса) в отличие от предлагаемого в техническом решении конструктивного устройства, не предполагающего постоянные энергозатраты на нагрев низовой грани и регулирование температурного режима тела плотины (особенно для построенных и эксплуатируемых в суровых климатических условиях плотин).
Также известны некоторые способы конструктивного устройства по улучшению напряженно-деформированного состояния бетонных плотин:
1. Путем устройства на напорной грани швов-надрезов для устранения растягивающих напряжений в бетоне. На напорной грани плотины в месте возникновения (по расчетным данным) растягивающих напряжений образован шов-надрез, над ним расположены один или несколько таких же разгрузочных швов-надрезов. SU 202775 A.
2. Путем устройства распорной конструкции, расположенной между полостью опорного массива и низовым перекрытием, состоящая из попеременно расположенных расклинивающих элементов, боковые поверхности которых сходятся по плоскостям со стороны низового перекрытия, и смежных с ними расклиниваемых элементов, боковые поверхности которых сходятся по плоскостям со стороны верхового перекрытия. SU 1121348 A.
Перечисленные методы конструктивного улучшения напряженно-деформированного состояния бетонных сооружений могут быть весьма эффективными, однако их практически невозможно реализовать при возникновении неблагоприятного сочетания нагрузок и воздействий, действующих на уже построенную и эксплуатируемую плотину (особенно при невозможности сработки водохранилища). Следует отметить также, что данные конструктивные устройства принципиально отличаются (как геометрически, так и функционально) от предлагаемого в данном техническом решении.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в улучшении напряженно-деформированного состояния арочно-гравитационной плотины находящейся в эксплуатации за счет конструктивного изменения поперечного профиля плотины (Фиг. 1). В настоящее время вопрос усиления плотин приобретает особенно острый характер. В России, а также в странах СНГ построено большое количество бетонных подпорных сооружений, возраст которых составляет 50 и более лет. В связи с длительным сроком эксплуатации, действующие на сооружения нагрузки и воздействия могут меняться по отношению к проектным, и приводить к неудовлетворительной работе конструкции. Связано это как с глобальными климатическими изменениями (отклонение среднегодовой температуры района от нормативной, что влечет за собой изменение толщины ледостава, увеличение продолжительности весеннего половодья и летнего паводка и др), так и с характером работы системы «сооружение-основание» (увеличение давления наносов, изменение во времени физико-механических свойств основания под действием непрерывного фильтрационного потока, изменения прочностных характеристик бетона сооружения вследствие длительности эксплуатации и др). Еще одной причиной, по которой фактическая картина напряженно-деформированного состояния плотины может разительно отличаться от проектной – это устаревшие методы расчета многих бетонных подпорных сооружений. Вследствие этого, в бетоне могут возникать крайне неблагоприятные растягивающие напряжения на верховой грани, приводящие к образованию локальных трещин, в том числе на верховой грани на контакте плотина-основание (Фиг. 1). На основании вышесказанного, часто возникает вопрос о возможности усиления плотины с целью улучшения напряженно-деформированного состояния сооружения в целом. Особенно актуальным является вопрос усиления эксплуатируемых плотин при невозможности сработки водохранилища по различным причинам (отсутствие водоспуска, критический уровень наносов, стратегическая важность гидроузла в масштабах страны/крупного города).
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для улучшения напряженно-деформированного состояния арочно-гравитационной плотины, включающее создание дополнительных силовых воздействий (Фиг. 1) с целью улучшения напряженно-деформированного состояния производится путем локального конструктивного изменения профиля плотины железобетонным монолитным приливом, характеризующимся линейными размерами L, H и углом α в условиях невозможности сработки водохранилища (Фиг. 1).
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 – Принцип работы предлагаемого устройства.
Обозначения:
1 - Существующая арочно-гравитационная плотина.
2 - Предлагаемое устройство из монолитного железобетона, характеризующееся линейными размерами L, H и углом α которые принимаются исходя из габаритных размеров плотины и величин возможных растягивающих напряжений.
3 - Эпюра вертикальных напряжений в теле плотины до применения устройства ("-" – сжатие, "+" – растяжение).
4 - Эпюра вертикальных напряжений в теле плотины после применения устройства ("-" – сжатие, "+" – растяжение).
5 - Эпюра вертикальных напряжений на контакте плотины с основанием до применения устройства ("-" – сжатие, "+" – растяжение).
6 - Эпюра вертикальных напряжений на контакте плотины с основанием после применения устройства ("-" – сжатие, "+" – растяжение).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Изменение проектного профиля плотины путем устройства со стороны верховой грани монолитного железобетонного прилива, характеризующегося линейными размерами L, H и углом α, приводит к увеличению сжимающих напряжений на верховой (напорной) грани плотины (Фиг. 1). Геометрические параметры устройства (прилива) выбираются исходя из расчетного значения вертикального напряжения, необходимого для устранения растягивающих напряжений и закрытия образовавшихся трещин на верховой грани.
1
Предлагаемое устройство позволяет получить дополнительный сжимающий момент М (Фиг. 1) за счет эксцентриситета между центром тяжести устройства (прилива) и подпорного бетонного сооружения. В зависимости от величины необходимого дополнительного момента, а также от конструктивных особенностей усиливаемого сооружения, возможно изменение линейных размеров прилива в сторону водохранилища, а также вертикально вниз.