Грунтовая плотина, возводимая на слабых основаниях в районах с повышенной сейсмичностью
GROUND DAMS, ERECTED ON WEAK BASES IN REGIONS WITH HIGH SEISMIC ACTIVITY

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при возведении грунтовых сооружений на слабых основаниях в районах с повышенной сейсмичностью.
Известна плотина из местных материалов, включающая криволинейную с выпуклостью в сторону верхнего бьефа диафрагму из вязкопластического материала. Диафрагма выполнена двоякой кривизны, а ее верхнее и нижнее сечение расположены на оси, составляющей с вертикальной осью плотины угол от 0° до 45°. Причем в горизонтальном сечении участки диафрагмы, сопряженные с берегами, расположены перпендикулярно к ним (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №881184, МПК E02B 7/06, E02B 3/16, 1981 г.).
Основными недостатками указанной плотины являются относительно недостаточная надежность работы плотины при повышенных статических и сейсмических нагрузках, а также повышенная материалоемкость при формировании диафрагмы.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является грунтовая плотина, включающая тело, выполненную из вязкопластичного материала диафрагму криволинейной формы с выпуклостью, обращенной в сторону верхнего бьефа и бетонную галерею со сводом в верхней части. В зонах изменения кривизны диафрагмы на ней выполнены утолщения в виде локальных приливов. Нижняя часть диафрагмы выполнена в виде замкнутой оболочки, охватывающей бетонную галерею и сопряженной с противофильтрационным элементом в основании плотины (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1596004, МПК E02B 7/06, E02B 3/16, 1990 г.).
Основными недостатками плотины-прототипа являются относительно ограниченная жесткость и прочность бетонной галереи в условиях повышенных статических и сейсмических нагрузок, кроме этого одинаковые механические свойства вязкопластического материала диафрагмы ограничивают приоритетную текучесть материала диафрагмы в утолщениях при экстремальных нагрузках на грунтовую плотину. В целом эти недостатки отражаются в формировании ограниченной надежности грунтовой плотины при максимальных динамических и статических нагрузках, проявляющихся при сейсмических воздействиях.
Задачей изобретения является повышение надежности работы при сейсмических и статических воздействиях.
Для решения поставленной задачи в грунтовой плотине, возводимой на слабых основаниях в районах с повышенной сейсмичностью, включающей криволинейную с выпуклостью в сторону верхнего бьефа диафрагму из вязкопластического материала, выполненную с утолщениями в виде локальных приливов в зонах изменения кривизны диафрагмы, бетонную галерею со сводом в верхней части и противофильтрационный элемент в основании, при этом нижняя часть диафрагмы выполнена в виде замкнутой оболочки, охватывающей бетонную галерею и сопряженной с противофильтрационным элементом в основании, бетонная галерея в поперечном сечении выполнена в виде треугольника Релло, причем один из углов треугольника Релло располагается в верхней сводной части галереи, а материал диафрагмы в утолщениях имеет большую текучесть, чем в остальных частях диафрагмы.
Сущность изобретения заключается в том, что бетонная галерея в поперечном сечении выполнена в виде треугольника Релло, причем один из углов треугольника Релло располагается в верхней сводной части галереи, а материал диафрагмы в утолщениях имеет большую текучесть, чем в остальных частях диафрагмы.
Такой новый признак, как выполнение поперечного сечения бетонной галереи в виде треугольника Релло, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что, как показали модельные исследования, сводчатые линейные пространства в виде фигуры Релло являются одними из наиболее устойчивых, при этом диаметр галереи с поперечным сечением в виде треугольника Релло одинаков во всех направлениях. Второй новый признак предложенного технического решения, заключающийся в расположении одного из углов треугольника Релло в верхней сводной части галереи, 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 грунтовой плотины. Третий новый признак, заключающийся в более высокой текучести вязкопластического материала диафрагмы в утолщениях относительно к остальным частям диафрагмы, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в создании механических условий для приоритетных вязкопластических деформаций в утолщениях диафрагмы относительно ее остальных частей при экстремальных сейсмических и статических нагрузках на грунтовую плотину.
Вышеуказанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению достигнуть положительного эффекта, заключающегося в повышении надежности работы грунтовой плотины при повышенных сейсмических и статических нагрузках. Все это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображена предлагаемая грунтовая плотина, поперечный разрез; на фиг. 2 изображена предлагаемая грунтовая плотина, продольный разрез по оси диафрагмы; на фиг. 3 изображена диафрагма, вид в плане.
Грунтовая плотина, возводимая на слабых основаниях в районах с повышенной сейсмичностью, включает тело 1, выполненную, например, из литого асфальтобетона, диафрагму 2 с утолщениями.
Диафрагма 2 имеет криволинейное очертание и обращена выпуклостью в сторону верхнего бьефа. В теле 1 плотины в нижней части размещена бетонная галерея 3, выполненная в поперечном сечении в виде треугольника Релло. В зонах изменения кривизны диафрагмы 2 утолщения последней выполнены в виде локальных приливов 4. Нижняя часть диафрагмы 2 выполнена в виде замкнутой оболочки 5, охватывающей бетонную галерею 3. Замкнутая оболочка 5 сопряжена с противофильтрационным элементом 6 в основании 7 грунтовой плотины. Поверхность береговых граней, к которым примыкает диафрагма 2, ориентирована в плане под углом α>0 к продольной оси русла, что обеспечивает прижатие диафрагмы к береговым примыканиям 8.
Сооружение работает следующим образом.
В процессе возведения и эксплуатации грунтовой плотины диафрагма 2, бетонная галерея 3 и противофильтрационный элемент 6 испытывают гидростатическое давление, боковое давление грунта, а в случае землетрясения - и динамическое давление, вертикальные и горизонтальные нагрузки. При этом возникают значительные деформации и напряжения, достигающие особенно значительных величин в зонах изменения кривизны диафрагмы, сопряжения диафрагмы с галереей 3, в самой галерее, а также в узле сопряжения галереи 3 с противофильтрационным элементом 6. Однако эти напряжения сразу же перераспределяются (релаксируют) в локальных приливах 4 и в замкнутой оболочке 5. При этом галерея 3, диафрагма 2 и противофильтрационный элемент 6 испытывают равномерное обжатие, деформируясь без потери сплошности вязкопластического материала, например асфальтобетона. В случае возникновения предпосылок для нарушения сплошности диафрагмы (за счет неравномерных деформаций в системе грунтовая плотина - основание) в месте возможного нарушения сплошности возникают растягивающие напряжения, что приводит к снижению давления в этом месте. В то же время, в местах размещения локальных приливов 4 давление повышено. Вязкопластичный материал (например, литой асфальтобетон) в этом случае ведет себя как тяжелая вязкая жидкость и происходит выдавливание асфальтобетона из зон повышенного давления в зоны возможного нарушения сплошности. При этом локальные приливы 4 выполняют роль "депо" для материала диафрагмы. Наличие в локальных приливах 4 вязкопластического материала относительно большой текучести, чем в остальных частях диафрагмы 2, позволяет более надежно достигнуть эффекта приоритетного выдавливания вязкопластического материала из зон повышенного давления в зоны возможного нарушения сплошности. Большую текучесть вязкопластическому материалу диафрагмы 2 в локальных приливах можно придать за счет заранее проверенного в лабораторных условиях рецепта приготовления материала. Например, при приготовлении асфальтобетона для локальных зон приливов 4 в его состав добавляют битума на 8-10% больше, чем для остальных частей диафрагмы 2. Таким образом обеспечивается саморегулирование сплошности всех противофильтрационных элементов грунтовой плотины (самозалечивание).
Как уже отмечалось, бетонная (железобетонная) галерея 3 выполнена в поперечном сечении в виде треугольника Релло.
a
а.
Треугольник Релло представляет собой фигуру постоянной ширины, образованную пересечением трех дуг радиуса , центры которого находятся в вершинах равностороннего треугольника со стороной
Наиболее жесткие участки в реллообразной галерее формируются в угловых зонах. Поэтому наиболее рационально один из углов треугольника Релло в верхней сводной части галереи, где формируется наиболее напряженная зона как при статических, так и при динамических нагрузках. Указанное теоретическое предположение было подтверждено проведенными модельными исследованиями. Свод, образованный в виде угла фигуры Релло, оказался значительно устойчивее полукруглого (и похожих на него) свода в бетонных (железобетонных) галереях грунтовых плотин. В целом бетонная (железобетонная) галерея, выполненная в поперечном сечении в виде треугольника Релло, более равнопрочная и более жесткая, чем прямоугольная с полукруглым сводом галерея грунтовой плотины по прототипу.
Углы при вершинах треугольника Релло равны 120°, т.е. сложности армирования угловых зон бетонной галереи не возникает.
Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности грунтовой плотины при экстремальных статических и динамических нагрузках, также повышается ее сейсмостойкость.