Устойчивость и прочность новых конструкций плотин из особо тощего укатанного бетона

УСТОЙЧИВОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЛОТИН ИЗ ОСОБО ТОЩЕГО УКАТАННОГО БЕТОНА

Ю.П. ЛЯПИЧЕВ, д-р техн. наук, профессор Российский университет дружбы народов, Москва

Современные гравитационные плотины из укатанного бетона (УБ) высотой 100 м и более на скальном основании с вертикальной напорной гранью требуют заложения низового откоса 0,8-0,95 при сейсмичности 8-9 баллов. Другим недостатком этих плотин является затрудненность их строительства на слабых полускальных и грунтовых основаниях [1]. В 1998 г. автор [2] разработал конструкции плотины симметричного профиля (с заложением обоих откосов 0,5-0,6),смешанного типа: с наружными зонами из УБ-3 шириной равной в м (3+0,1Н), где Н - напор в м, и внутренней зоной из виброукатанного камня, упрочненного цементно-зольным раствором (рис. 1). Водонепроницаемость напорной грани плотины обеспечивается установкой на ней синтетической пленки

Рис. 1. Симметричная плотина высотой 100 м с наружными зонами из УБ-3

Главные особенности этой плотины: низкий расход цемента (до 70 кг/м3) и высокий расход золы-уноса (свыше 100 кг/м3) в наружных зонах плотины, непрерывная укладка и укатка УБ-3 (RCC) слоями по 30 см и камня, пропитанного цементно-зольным раствором (REC) слоями по 60 см, отсутствие обработки швов в центральной зоне, малое количество деформационных швов в плотине, отсутствие дренажных скважин в теле и основании плотины [3]. В классификации УБ REC стоит ниже тощего УБ-1 и он также может приготавливаться на бетонных заводах и доставляться на плотину конвейерами Ротек (США).

S1

Ввиду симметричного профиля с заложением обеих откосов 0,5-0,6 в нем при землетрясении не возникает растяжение (раскрытия швов УБ) и поэтому требования к их прочности на сдвиг могут быть сильно снижены по сравнению с обычной плотиной из УБ, что упрощает строительство. Благодаря большой ширине плотины по основанию нормальные напряжения сильно снижаются, что позволяет ее строить не только на скальных, но и на грунтовых основаниях.

В табл. 1 и 2 приведены для сравнения величины коэффициенты запасов устойчивости по плоский сдвиг по подошве обычной гравитационной плотины из УБ высотой 100 м с вертикальной напорной гранью и низовой гранью с заложением 0,7; 0,8 и 0,9 и составной плотины из особо тощего УБ-0 такой же высоты с заложением обоих откосов 0,4; 0,5 и 0,7, расположенных на скальном (ср=40°, С=0,2 МПа), песчано-гравелистом (ф= 35°, С=0) и глинистом (моренном) основаниях (ф=30°, С=0,1 МПа). Во всех расчетах принималось остаточное противодавление по оси цемзавесы (в скальном основании) или стенки-завесы (в грунтовом основании), равное 40% напора. Расчеты производились на сокращенный состав статических и сейсмических воздействий, причем в этом случае принималась схема «сдвигового клина» ввиду наличия в УБ швов с пониженными параметрами прочности на сдвиг, полученными по натурным данным [3].

Коэффициенты запаса устойчивости обычной гравитационной плотины

из УБ (100 м) на сдвиг по подошве при различном основании Таблица 1

Тип основания Коэффициент запаса устойчивости плотины на сдвиг по подошве (статика/сейсмика) при заложении низового откоса

0,7 0,8 0,9

Скальное 1,91/1,47 2,14/1,60 2,37/1,73

Песчано-гравелистое 1,33/1,02 1,50/1,12 1,66/1,21

Глинистое (морена) 1,24/0,95 1,39/1,04 1,54/1,13

Согласно СНиП минимальные коэффициенты устойчивости плотин I класса на сдвиг по контакту бетон-основание для статического и сейсмического случаев составляют, соответственно, 1,32 и 1,18. Сравнение этих величин с данными табл. 1 и 2 показывает, что сейсмоустойчивость обычной гравитационной плотины высотой 100 м с заложением низового откоса 0,7-0,9 недостаточна на нескальном основании и следует переходить на симметричный профиль с заложением откосов 0,5-0,7 с использованием камня, упрочненного цементом (рис. 1).

Коэффициенты запаса устойчивости симметричной плотины из особо тощего УБ (100 м) (заложения откосов 0,4-0,7) на сдвиг по подошве при различном основании Таблица 2

Тип основания Коэффициент запаса устойчивости плотины на сдвиг по подошве (статика/сейсмика) при заложении обеих откосов

0,4 0,5 0,7

Скальное 2,59/1,91 3,15/2,21 4,27/2,74

Песчано-гравелистое 1,99/1,33 2,20/1,55 2,98/1,92

Глинистое (морена) 1,65/1,22 2,01/1,41 2,73/1,75

В табл. 3 приведены величины нормальных и главных напряжений (- сжатие, + растяжение) в основании напорной (индекс и) и низовой (cl) граней обычной плотины из УБ высотой 100 м с заложением низовой грани 0,7-0,9 при воздействии ускорения в скальном основании в 0,2g. В табл. 4 даны величины этих напряжений в основании обоих откосов плотины из УБ-0 высотой 100 м с заложением откосов 0,4-0,7 при воздействии ускорения в 0,2 g в скальном основании.

Из табл. 3 видно, при сейсмичности 8 баллов в основании напорной грани обычной плотины из УБ высотой 100 м при заложении низовой грани 0,7 возникает растяжение (раскрытие швов УБ), что потребует уполаживания низовой грани до 0,8. Из табл. 4 видно, что при сейсмичности 8 баллов требуемое заложение обоих откосов плотины высотой 100 м из особо тощего УБ составит 0,5.

Напряжения в основании напорной и низовой граней обычной плотины из УБ-3 высотой 100 м при сейсмическом ускорении в скальном основании 0,2§ Таблица 3

Заложение низовой грани Напряжения (в МПа) в основании напорной (верхний индекс к) и низовой (индекс (1) граней

< < оГ о3и а/ т <> аз"

0,7 0,03 -1 0,03 -1 -2,48 -1,21 1,73 -3,69

0,8 -0,42 -1 -0,42 -1 -2,00 -1,28 1,60 -3,29

0,9 -0,74 -1 -0,74 -1 -1,67 -1,67 1,50 -3,03

Напряжения в основании верхового и низового откосов плотины из особо тощего УБ-0 высотой 100 м при сейсмическом ускорении в скальном основании 0^ Таблица 4

Заложения обоих откосов Напряжения (в МПа) в основании верхового (верхний индекс и) и низового (индекс с!) откосов

а/ Ох" т u ьху о," ах" 1 л 1ху c3d

0,4 0,17 -0,47 0,47 0,36 -1 -3,0 -0,48 1,22 -3,50

0,5 -0,39 -0,82 -0,30 -0,23 -1 -2,27 -0,61 1,23 -3,09

0,7 -0,94 -0,97 0,03 -0,91 -1 -1,90 -0,93 1,30 -2,80

Ниже даны результаты расчетов сейсмостойкости новой плотины высотой 100 м с заложением откосов 0,5, с наружными зонами из укатанного бетона и центральной зоной из камня, упрочненного цементом. В расчетах использовалась акселерограмма землетрясения с пиковым горизонтальным ускорением 0^ (ПЗ) и вертикальным ускорением 0,14g, длительностью воздействия 10 с и частотой 3-5 герц, близкой к частоте основного тона колебаний плотин высотой 100 м.

Для описания поведения УБ использована упругопластическая модель обычного бетона [4], используемая в ЦСГНЭО в сейсмических расчетах бетонных плотин, в которой приняты сдвиговые параметры швов УБ (угол внутреннего трения ф—45°, сцепление С и предел прочности на растяжение поперек шва р=С). Модель воспроизводит в расчетах образование в плотине горизонтальных трещин (раскрытие швов УБ), а в основании плотины произвольных трещин и последующую работу УБ в зоне таких трещин только на сжатие.

Результаты расчетов сейсмостойкости плотины на действие акселерограммы ПЗ с пиковым горизонтальным ускорением 0,2 и вертикальным 0,14£ показали, что реакция плотины упругая и перемещения полностью затухают без остаточ-

ных величин. Максимальное горизонтальное ускорение на гребне плотины при воздействии достигает 0,3т.е. коэффициент усиления амплитуды колебаний составляет 1,55. В основании верховой зоны происходит раскрытие шва УБ, однако, учитывая наличие на верховом откосе непроницаемой пленки противодавление в шве исключено и сейсмическая безопасность плотины обеспечена.

Таким образом, новая плотина высотой 100 м имеет двойной запас сейсмостойкости при проектном расчетном землетрясении, что подтверждает высокую сейсмостойкость этих плотин и указывает на необходимость их рассмотрения в проектах гидроузлов в сейсмических районах при любых грунтовых условиях.

На рис. 2 показан симметричный профиль (заложение откосов 0,7) глухих секций высотой 65 м из особо тощего УБ варианта Юмагузинской плотины, расположенной на аллювиальном основании р. Белая в Башкирии.

Рис. 2. Разрез по глухой секции Юмагузинской плотины из УБ-0

Литература

1. ICOLD Bulletin 117, 2000. The gravity dam - a dam for the future. Review and recommendations, ICOLD, Paris. - 2000. - P. 128

2. Ляпичев Ю.П. Новые конструкции плотин из укатанного бетона и камня. Проблемы теории и практики в инж. исследованиях: Сб. трудов РУДН. - М.: АСВ, 1998. - С. 39-43.

3. Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современных высоких плотин (Ч. 1: Плотины из укатанного бетона). - Уч. пособие. Изд-во РУДН. - М.: 2004. - С. 275.

4. Грошев М.Е., Шаблинский Г.Э. Применение теории пластического течения для описания деформируемости бетона в условиях двухосного нагружения. - М.: "Строительство и архитектура", 1991.

SEISMIC STRESS-STRAIN STATE OF NEW DAM OF ROLLER COMPACTED CONCRETE AND ROCKFILL ENRICHED WITH CEMENT

Yu. P. Lyapichev

Results of seismic stress-strain state analysis are considered for the new symmetrical 100 m high dam with slopes of 1/0.5 (V/H), outer zones of roller compacted concrete (RCC) and wide central zone of rockfill enriched with cement mortar. As a seismic loading the horizontal and vertical components of strong earthquakes of 8 and 9 grades were assumed. As a RCC model the elastoplastic model of RCC with shear parameters of joints was used. It was found that the new dam has double seismic safety under action of earthquake of 9 grade that indicates to consider the dam in hydro-projects in seismic regions.