Напорный туннель округлой формы для гидроэлектростанций
PRESSURE ROUNDED TUNNEL FOR HYDROELECTRIC POWER PLANTS

Изобретение относится к гидротехническому строительству и предназначено для напорных туннелей гидроэлектростанций с обделкой.
Известен напорный туннель округлой формы, включающий выработку во вмещающий туннель породе и бетонную обделку с деформационными швами в виде продольных прорезей с уплотнением в основании каждой прорези. Уплотнение продольного шва обделки выполнено в виде рифленой эластичной полосы с продольной прорезью. Уплотнение расположено с внутренней, напорной, стороны обделки туннеля на части толщины обделки, а эластичная полоса уплотнения со стороны противоположной прорези имеет заостренный край, причем острие выполнено симметрично относительно оси прорези (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1291659, МПК E02B 3/16, 1987 г.).
Недостатком известного напорного туннеля является ограниченная надежность работы в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях из-за ограниченной прочности (жесткости) и устойчивости выработки и бетонной обделки круглого сечения, особенно в его сводной части.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому (прототипом) является напорный туннель округлой формы, включающий выработку во вмещающий туннель породе, бетонную обделку с деформационными швами в виде продольных прорезей с уплотнением в основании каждой прорези. Выработка, в поперечном сечении, в верхней части выполнена в виде полукруга, а в нижней части выполнена прямоугольной формы, а деформационные швы расположены против углов в нижней части выработки, причем основания продольных прорезей под швы расположены в наружном слое обделки (см. авторское свидетельство СССР №1740540, МПК E02B 9/06, 1992 г.).
Основными недостатками напорного туннеля - прототипа являются неравнопрочность конструкции, относительно ограниченная надежность работы в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях из-за ограниченной устойчивости выработки и обделки сложного поперечного сечения.
Задачей изобретения является повышение прочности, устойчивости и надежности работы напорного туннеля гидроэлектростанций в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях.
Для решения поставленной задачи в напорном туннеле гидроэлектростанций округлой формы, включающем выработку с углами и сводом во вмещающий туннель породе и бетонную обделку с расположенными напротив углов деформационными швами в виде продольных прорезей с уплотнением в основании каждой прорези, причем основания продольных прорезей под швы расположены в наружном слое обделки, выработка и контактирующая с ней поверхность бетонной обделки выполнены в поперечном сечении в виде треугольника Релло, при этом один из углов треугольника Релло направлен вертикально вверх, образуя сводную часть выработки, а деформационные швы расположены напротив всех трех углов треугольника Релло.
Сущность изобретения заключается в том, что выработка во вмещающей туннель породе и контактирующая с ней поверхность бетонной обделки выполнены в поперечном сечении в виде треугольника Релло, при этом один из углов треугольника Релло направлен вертикально вверх, образуя сводную часть выработки, а деформационные швы расположены напротив всех трех углов треугольника Релло.
Такой новый признак выполнения выработки и контактирующей с ней поверхности бетонной обделки в поперечном сечении в виде треугольника Релло позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что у выработки совместно с контактирующей с ней поверхностью бетонной обделки появляется оптимальная однородно устойчивая поверхность, свойственная оригинальным характеристикам циклоидных форм. Это придает напорному туннелю с бетонной обделкой более высокую устойчивость и прочность в сложных условиях эксплуатации. Второй новый признак, как направление одного из углов треугольника Релло вертикально вверх с образованием сводной части выработки, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что одна из наиболее жестких зон (угловая зона) треугольника Релло располагается в наиболее напряженной части напорного туннеля. Третий новый признак, заключающийся в расположении деформационных швов напротив всех трех углов треугольника Релло, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в образовании равноустойчивой и равносторонне деформируемой конструкции напорного туннеля при экстремальных статических и динамических нагрузках.
Вышеуказанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению достигнуть положительного эффекта, заключающегося в повышении прочности, устойчивости и надежности работы напорного туннеля гидроэлектростанций в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях. Все это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображен напорный гидротехнический туннель округлой формы, поперечный разрез.
Напорный туннель в скальных грунтах 1 выполнен с бетонной (железобетонной) обделкой 2, имеющей круглое очертание внутренней поверхности и расположенной в выработке 3, имеющей в поперечном сечении форму в виде треугольника Релло с углами 4. Обделка 2 содержит три деформационных шва в виде продольных прорезей 5, расположенных в угловых наиболее жестких зонах обделки. Эти швы делят обделку на три равные части. Продольные прорези 5 пересекают внутренний и средний слои обделки 2 и в своем основании, расположенном в наружном слое обделки 2, содержат уплотнения 6.
Напорный туннель гидроэлектростанций работает следующим образом.
Внутреннее давление воды  действует на всю внутреннюю поверхность обделки 2. Одновременно раскрываются прорези 5, в них проникает вода и воздействует на обделку 2 силами P, которые имеют нормальное направление к боковым поверхностям прорезей 5 и на единицу длины туннеля каждая из них равна
,
где h - глубина прорези 5.
В результате три пары сил P равномерно сжимают три равные части обделки 2. Эти дополнительные силы совместно с упругим отпором породы полностью предотвращают появление растягивающих напряжений в обделке 2.
a
a
Треугольник Релло представляет собой фигуру постоянной ширины, образованную пересечением трех дуг радиуса , центры которого находятся в вершинах равностороннего треугольника со стороной .
a
Из всех фигур заданной постоянной ширины треугольник Релло обладает наименьшей площадью. Если ширина его равна , то его площадь равна . Следовательно, при равных площадях, треугольник Релло имеет большую ширину по сравнению с кругом. По сравнению с сечением с полукруглым сводом и прямоугольным низом, выработка с сечением в виде треугольника Релло отличается равнопрочностью и более равным расположением жесткостных элементов. Как показали модельные исследования, свод выработки в виде угла треугольника Релло оказался на 15-25% устойчивее свода в виде полукруга или части круга.
Углы при вершинах треугольника Релло равны 120°, т.е. сложности армирования угловых зон обделки не возникает.
Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, заключается в достижении равнопрочности по сечению напорного туннеля, в повышенной устойчивости сводной части выработки и бетонной обделки. Все это в целом позволяет повысить прочность, устойчивость и надежность работы напорного туннеля гидроэлектростанций в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях.