Совершенствование конструкции высокой каменной плотины с железобетонным экраном

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОЙ КАМЕННОЙ ПЛОТИНЫ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ

IMPROVING THE CONSTRUCTION OF A HIGH CONCRETE FACE ROCKFILL DAM

М.П. Саинов

M.P.Sainov

ГОУ ВПО МГСУ

На основе исследований напряжённо-деформированного состояния предложена конструкция каменной плотины с железобетонным экраном и подэкрановой зоной из грунтоцементобетона, которая обладает надёжностью и ремонтопригодностью.

Research of stress-strain state allowed to offer new constustion rockfill concrete face dam with soilcement supporting zone, which has the reliabity and reparaibility.

Каменные плотины с железобетонным экраном в настоящее время широко применяются при создании высоконапорных гидроузлов. Максимальную высоту (233 м) имеет плотина Шуибуя в Китае. Однако часто в таких плотинах возникают трещины [1]. Примерами могут служить плотины Салт Спрингс (100 м, США), Ита (125 м, Бразилия), Ксинго (150 м, Бразилия), Агуамилпа (187 м, Мексика), Кампос Новое (200 м, Бразилия). Ремонт экранов этих плотин производился путём опорожнения водохранилища.

Однако в условиях России, когда объём водохранилища составит десятки кубо-километров, а от работы ГЭС зависит энергоснабжение целых регионов, такой возможности не будет. В наших условиях высокая плотина с железобетонным экраном должна обладать повышенной надёжностью и ремонтопригодностью.

С этой целью профессор Л.Н.Рассказов предложил выполнять под железобетонным экраном подэкрановую зону из грунтоцементобетона. Грунтоцементобетон представляет собой камень, упрочнённый цементнозольным раствором. По сравнению с укатанным бетоном он содержит меньшее количество цемента и имеет ещё более простую технологию укладки в сооружение. В мире построено несколько плотин из грун-тоцементнобетона с железобетонным экраном на верховой грани [1].

Подэкрановая зона из грунтоцементобетона сможет служить дополнительным противофильтрационным элементом плотины в случае нарушения водонепроницаемости экрана. Кроме того, она - ремонтопригодна, её можно ремонтировать путём инъекции из потерн.

В 2003-2004 гг. Нгуен Тхань Дат [2] (при участии автора) проводил исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) плотины с железобетонным экраном и грунтоцементобетонной подэкрановой зоной. Они показали, что при использовании жёсткой подэкрановой зоны в железобетонном экране возможно появление значительных растягивающих напряжений. Для их снижения было рекомендовано устраивать

5/2011

ВЕСТНИК

МГСУ

дополнительные горизонтальные швы в экране, а также отделять железобетонный экран от подэкрановой зоны прокладкой из материала с низким коэффициентом трения.

Для совершенствования конструкции плотины с подэкрановой зоной из грунто-цементобетона автором были произведены исследования НДС разных вариантов конструкции плотины. Расчёты производились с учётом нелинейности деформирования грунтов и последовательности возведения плотины, наполнения водохранилища. Использовалась вычислительная программа NDS-N, составленная автором.

Исследования производились на примере каменной плотины высотой 215 м. Её верховой откос принят с заложением 1,3, низовой - 1,4. В нижней части плотины с верховой стороны экрана устроена защитная призма высотой 43 м. Принималось, что плотина возводится в три очереди. Первая очередь имеет высоту 79 м, вторая - 166 м. Модуль деформации грунтоцементобетона принимался в расчётах равным 10000 МПа.

Для конечно-элементной дискретизации расчётной области использовались элементы высокого порядка (с квадратичной или даже кубической аппроксимацией перемещений внутри элемента).

Для возможности сравнения вариантов были проведены расчёты НДС для конструкции плотины с подэкрановой зоной из щебенистого грунта (которая применяется повсеместно). Было получено, что максимальная осадка экрана составляет 48,6 см (рис.1), а максимальное смещение - 50,7 см (рис.2). При этом прогиб экрана составляет около 70 см (0,32% от высоты плотины).

Рис.1. Осадки железобетонного экрана

Из эпюр перемещений видно, что самая нижняя часть (нижние 40 м высоты) железобетонного экрана испытывает сильный изгиб. За счёт этого на низовой грани максимальные главные напряжения ст1 в направлении вдоль экрана достигают +7,9 МПа (растяжение) (рис.3). Это выше расчётного сопротивления бетона не растяжение. Низовая грань железобетонного экрана сжата напряжениями ст1 до 1,5 МПа.

В интервале высот от 40 м до 110 м обе грани экрана растянуты в продольном направлении. В этой зоне растягивающие напряжения достигают 3 МПа. Растягивающие усилия в экране возникают от смещений каменной наброски в сторону нижнего бьефа.

Таким образом, нижняя часть железобетонного экрана имеет неблагоприятное напряжённое состояние. В ней неизбежно образование трещин [3]. Т.к. их ремонт будет невозможен, то такая конструкция непригодна для высокой каменной плотины.

НПУ 596.0

600.0

Рис.2. Смещения железобетонного экрана

Второй рассмотренной конструкцией была каменная плотина с подэкрановой зоной из грунтоцементобетона. Толщина подэкрановой зоны была принята довольно большой. Она изменялась от 4 м вверху до 14 м внизу. У подошвы толщина подэкрановой зоны составляла 6,5% от высоты плотины. Подэкрановая зона опиралась на скальное основание и железобетонную потерну.

Расчёты показали, что повышение жёсткости подэкрановой зоны мало повлияло на НДС верхней части экрана. Существенные изменения произошли в нижней части экрана. Уменьшились смещения и осадки экрана (рис.1,2). Это объясняется тем, что жёсткая подэкрановая зона передаёт гидростатическое давление воды на скалу. При восприятии гидростатического давления она работает как консоль. Её верховая грань -растянута, а низовая - сжата. Т.к. прочность контакта "грунтоцемент - скала" на растяжение очень мала, то произошло его раскрытие (со стороны верховой грани) на большей части ширины подошвы. Подошва подэкрановой зоны была вынуждена поворачиваться вокруг своего низового ребра. За счёт этого в зоне контакта с потерной экран испытывал не осадки, а наоборот - подъём величиной около 8 см (рис.1). В результате раскрытие периметрального шва экрана составило 12 мм, а касательное смещение - 30 мм. В районе низового ребра в подэкрановой зоне возникла концентрация сжимающих напряжений ст3 величиной до 30 МПа.

Отрыв от основания способствовал сглаживанию значительных сильных изгиб-ных деформаций нижней части подэкрановой зоны. Тем не менее, из-за изгиба на верховой грани подэкрановой зоны растягивающие напряжения ст1 достигли 1,2 МПа. В железобетонном экране растягивающие напряжения ст1 оказались ещё выше - до 7,4 МПа (рис.4), что в несколько раз превышает прочности бетона на растяжение. Такие растягивающие усилия не сможет воспринять не только бетон, но и арматура.

Таким образом, при устройстве жёсткой и широкой подэкрановой зоны следует ожидать нарушения прочности железобетонного экрана. Хотя такая конструкция и ремонтопригодна, но не надёжна. Конечно, снижения растягивающих напряжений можно добиться за счёт устройства дополнительных швов в экране, однако это сильно усложнит конструкцию экрана. К тому же, как показали исследования Нгуен Тхань Дата [2] и автора, даже при разрезке экрана швами плитами длиной по 15 м, растягивающие напряжения удаётся снизить лишь до 3 МПа, что довольно много.

5/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Рис.3. Напряжения в железобетонном экране при подэкрановой зоне из камня

НПУ 5Э5Л

ым

Рис.4. Напряжения на верховой грани железобетонного экрана при подэкрановой зоне из грунтоцементобетона

Необходимо было предложить более надёжную конструкцию. Для этого надо "избавиться" от сильных изгибных деформаций подэкрановой зоны в зоне контакта с основанием. Было решено не опирать подэкрановую зону на скалу, а дать ей возможность "сползать" вниз по наклонному откосу железобетонной потерны. Подэкрановую зону и скалу может при этом разделять слой грунта или асфальтобетона.

В нашем случае для создания такой схемы опирания достаточно сократить толщину грунтоцементобетонной подэкрановой зоны до 6 м.

Расчёты НДС плотины этой конструкции показали, что за счёт изменения схемы опирания, удалось достичь более благоприятного напряжённого состояния железобетонного экрана. Подэкрановая зона работала не как консоль, а как балка на упругом основании, испытывающая изгиб в сторону нижнего бьефа. За счёт этого низовая грань подэкрановой зоны испытывала растяжение (до 1,4 МПа), а напорная - сжатие (до 0,7 МПа). Железобетонный экран (в своей нижней части) оказался в зоне сжимающих напряжений (рис.4) и его напряжённое состояние - благоприятное. Появление растягивающих напряжений в подэкрановой зоне не столь опасно, т.к. они происходят с низовой стороны.

Максимальные растягивающие напряжения в направлении вдоль экрана составили 2,2 МПа (рис.4). Такие напряжения наблюдались в зоне максимального прогиба плотины. Это довольно большие растягивающие напряжения, но всё же они могут быть восприняты арматурой. Уровень растяжения можно снизить за счёт увеличения жёсткости каменной насыпи первой очереди плотины.

Недостатком предложенной конструкции является большие перемещения в периметральном шве. Раскрытие шва составило 40 мм, а касательное смещение - 23 мм. Тем не менее это меньше, чем перемещения в натуре уже построенных плотин [1].

Выводы :

1. Железобетонные экраны высоких плотин часто подвержены трещинообразо-ванию. Это связано с восприятием экраном растягивающих усилий от смещений грунтовой насыпи. Такая конструкция часто требует ремонта, но в условиях крайнего Севера России, когда водохранилища не могут срабатываться, такая конструкция не ремонтопригодна и не надёжна. Должна быть создана новая более надёжная конструкция, например, с жёсткой подэкрановой зоной из грунтоцементобетона. Надо иметь двухслойный противофильтрационный элемент, надёжный и ремонтопригодный.

2. При опирании жёсткой подэкрановой зоны на скальное основание она работает как консоль, что вызывает появление в железобетонном экране больших по величине растягивающих напряжений. Эти усилия не смогут быть восприняты арматурой и вызовут появление в экране трещин. Для улучшения напряжённого состояния экрана рекомендуется опереть подэкрановую зону на потерну с помощью наклонного шва. В этом случае подэкрановая зона будет деформироваться как балка и экран будет находиться в сжатом состоянии.

Литература

1. Ляпичев Ю.П. Проектирование современных высоких плотин. - М.: Изд-во РУДН, 2004.

2. Нгуен Тхань Дат. Напряженно-деформированное состояние каменных плотин с железобетонными экранами : автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук :05.23.07 / Нгуен Тхань дат. - М., 2004. - 20 с : ил. - Библиогр.: с. 19-20 (8 назв.).

3. Саинов М.П. Особенности расчётов напряжённо-деформированного состояния каменных плотин с железобетонными экранами // Вестник МГСУ, 2006, №2.

Literature:

1. Lyapichev Ju.P. Design of modem high dam. - M.: RUDN, 2004.

2. Ngyen Than Dat. Stress-strain state of concrete face rockfill dams : synopsis of dissertation / Ngyen Than Dat. - M., 2004 - 20 p.

3. Sainov M.P. Features of stress strain calculations concrete face rockfill dams // Vestnik MGSU, 2006, №2.

Ключевые слова : каменная плотина с железобетонным экраном, подэкрановая зона, грунтоце-ментобетон, напряжённо-деформированное состояние

Keywords : rockfill concrete face dam, concrete face supporting zone, soilcement, stress-strain state

Телефон автора : (499) 261-31-43 e-mail автора : mp sainov@mail.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»