Влияние работы швов на пространственное напряжённо-деформированное состояние каменной плотины с железобетонным экраном

ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ ШВОВ НА ПРОСТРАНСТВЕННОЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КАМЕННОЙ ПЛОТИНЫ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ

INFLUENCE OF SEAMS WORK ON SPATIAL DEFLECTED MODE OF CONCRETE-FACE ROCK FILL DAM

K.A. Выборное, М.П. Саинов

K.A. Vybornov, M.P. Sainov

ГОУ ВПО МГСУ

Численные исследования показали, что в узком створе экран сильно смещается по периметральному шву. Это объясняется малой сдвиговой прочности грунтов на контакте со скальным бортом. Наличие периметрального шва заметно улучшает напряжённо-деформированное состояние экрана, роль вертикальных швов слабее.

It was shown by numerical researches , that concrete face is shifts a lot along the perimeter seam. This is explained by low shearing strength of soils on the joint with rock sides. Existence of perimeter joint notably improve deflected mode offace. Role of vertical seams is lower.

В последние годы во всем мире стали часто применять каменные плотины с железобетонным экраном, т.к. их применение дает существенный экономический эффект при сооружении крупных гидроузлов.

Мировой опыт эксплуатации таких плотин показывает, что их конструкции вполне надежны, и они могут возводиться в самых сложных природных условиях (суровый климат, высокая сейсмичность и др.). В нашей стране проектирование плотин с железобетонным экраном ведётся для ряда перспективных створов (Эвенкийский, Канкун-ский и др.), но ещё нет ни одной построенной плотины. Это обусловлено тем, что высота плотин в этих створах плотины имеют большую высоту (около 200 м) и они должны быть сверхнадёжными. Надёжными должны быть не только конструкции самого экрана, но и уплотнений.

Учитывая выше сказанное, актуальной задачей является оценить надёжность работы периметрального и вертикальных швов в железобетонном экране плотины высотой 200 м, которая расположена в довольно узком створе и работает в пространственных условиях. Такие исследования были выполнены нами численным методом в рамках подготовки магистерской программы.

Исследование проводилось на примере грунтовой каменной плотины с железобетонным экраном высотой 200 м, вписанной в створ трапецеидальной формы с шириной по руслу 180 м, а по гребню 600 м. Заложение верхового откоса плотины составило 1:1,4, а низового 1:1,5. НПУ находится на 5 м ниже гребня (отм. 195 м). Плотина располагается на достаточно прочном и жестком скальном основании. Произведено

5/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

зонирование тела плотины: в верховую часть упорной призмы плотины уложен камень высокого качества, а в низовую - более низкого качества. Железобетонный экран отделён от скалы периметральным швом и разрезан вертикальными температурно-усадочными швами с шагом 20 м.

Расчет НДС производился в пространственной постановке с учетом нелинейности деформирования грунтов с помощью метода конечных элементов (далее - МКЭ). Для моделирования работы швов использовались контактные элементы типа «поверхность - поверхность» , которые позволяют учитывать возможность раскрытия и смыкания шва, возможность сдвига по шву.

Для моделирования была использована вычислительная программа Кёв-Ы", разработанная к.т.н. Саиновым М.П. на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ.

Расчетная область (рис. 1) была разбита на 10468 элементов, из которых 2725 контактных. Количество степеней свободы составило 38355.

Рис. 1. Расчетная область

Нелинейное поведение грунтов под нагрузкой описывалось моделью Л.Н.Рассказова. Прочность контактных элементов моделировалась по условию Кулона-Мора (свойства указаны в табл. 1).

Было произведено три варианта расчетов:

1. с устройством в экране и вертикальных и периметрального швов,

2. с устройством в экране только периметрального шва,

3. экран не разрезан швами и прочно связан со скальным основанием.

По результатам расчётов максимальные осадки плотины строительного периода составляют 69 см, а смещения - 22 см. Максимальное смещение экрана (в сторону нижнего бьефа) составляет 24,5 см, осадка - 29,7 см. При этом экран прогибается, т.к.

его максимум перемещений наблюдается примерно посередине высоты плотины (рис. 2).

Таблица 1. Свойства зон контактов

Условное обозначение Кп К Ф с Яр

Параметр модели Нормальная жесткость Касательная жесткость Угол внутреннего трения Удельное сцепление Прочность на растяжение

Наименование контакта ед. изм. т/м3 т/м3 0 тс/м2 т/м2

бетон - камень по-дэкрановой зоны 80000 30000 48 0 2

бетон-песок 80000 15000 35 0 2

бетон-бетон (в шве) 5000000 3000000 25 0 2

скала-камень (хорошего качества) 80000 20000 48 0 2

скала-камень (плохого качества) 80000 15000 45 0 2

Сц^МВ ОМ Я1ГШЛ1ИТ) ->1*] ¡ЬО

От* ЩуЗ |-ггы? вд

Рис. 2. Смещения и осадки железобетонного экрана

5/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

При наличии в экране всех предусмотренных швов прогиб железобетонного экрана в сторону нижнего бьефа вызывает его сжатие в центральной области экрана и растяжение - в основании и прибортовых областях. Максимальный уровень сжатия и растяжения наблюдается в направлении от борта к борту - по напряжениям о2 Сжатие в центральной области достигает 12 МПа, а растяжение - 3 МПа в прибортовой области.

Т.к. створ довольно узкий, то перемещения грунта тела плотины направлены от бортов основания в сторону русла реки. Максимальные значения этих перемещений достигают 11 см (рис. 3). За счет этого происходит раскрытие периметрального шва на контакте со скальными бортами. Величина раскрытия на отм. 101 м составляет 4,1 см. Вертикальные швы раскрываются существенно меньше (до 0,24 см) (рис. 4).

и

ел

- УЧ

- -и ~

Рис. 3. Перемещения тела плотины по сечению на отметке 101 м

1.10

Я ир №Ч ППСЧМЫ гЮГ<-|Г.( ДО!« |[ДЛ| пй-чЬачЧа РК^М и бММян

4АВ 4.79 ЗДЭ 5.03 Ч^у.4? Ш 43Е

Рис. 4. Перемещения тела плотины по сечению на отметке 101 м. Детально зона контакта

экрана и бортов основания

За счёт движения грунта плотины от бортов к руслу грунт слабо прижат к скале. Это вызывает нарушение прочности контакта - "грунт-скала" и следовательно проскальзывание экрана и подэкрановой зоны в сторону нижнего бьефа. Относительное смещение экрана достигает 3,8 см ! Смещения секций экрана относительно друг друга гораздо меньше и не превосходят 0,37 см (рис.5).

Рис. 5. Смещения тела плотины по сечению на отметке 101 м. Детально зона контакта экрана и

бортов основания

Таким образом, вертикальные швы имеют существенно меньшее значение для восприятия статических нагрузок, чем периметральный.

Чтобы подтвердить этот вывод необходимо было выполнить второй расчёт НДС плотины, исключив из рассмотрения вертикальные швы, сделав их абсолютно прочными. Оказалось, что по сравнению с первым вариантом картина распределения напряжений и их максимальные значения не получили существенных изменений. Это говорит о том, что при работе на статические нагрузки температурно-усадочные швов не оказывают существенного влияния на напряженное состояние железобетонного экрана.

В третьем варианте расчетов не моделировался и периметральный шов и температурно-усадочные швы железобетонного экрана, т.е. они были приняты абсолютно прочными и жёсткими.

Отсутствие периметрального шва привело к увеличению значений растягивающих напряжений в железобетонном экране. Относительно первого варианта расчёта значения растягивающих напряжений ох и о2 возросли в 5 раз. Максимальное значение растягивающих напряжений ох достигает 5 МПа вдоль бортов основания, значения растягивающих напряжений о2 также наблюдается вдоль бортов основания и не превышают 15 МПа. Максимальные значения напряжений о1 возросли в 2 раза и не превышают 20 МПа вдоль бортов основания. А вот максимальные значения растягивающих напряжений оу и о2 снизились в два раза и не превосходят 1,7 МПа и 3 МПа соответственно. Это показывает исключительно важное значение периметрального шва.

Выводы :

1. Давление воды со стороны верхнего бьефа вызывает прогиб железобетонного экрана в сторону нижнего бьефа. Наличие периметрального шва дает возможность

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

железобетонному экрану смещаться вдоль бортов, тем самым позволяя уменьшить этот прогиб снизить значения растягивающих напряжений в экране.

2. За счёт проскальзывания железобетонного экрана на контакте плотины с бортами и основанием в подэкрановой зоне наблюдаются нарушение сдвиговой прочности грунта.

3. Температурно-усадочные швы при расчете на статические нагрузки мало влияют на напряженное состояние железобетонного экрана. Величина раскрытия тем-пературно-усадочных швов не превосходит 24 мм, а смещение секций экрана относительно друг друга не превышает 38 мм.

4. Т.к. наличие периметрального шва существенно влияет на напряжённое состояние экрана, при расчетах НДС плотины с железобетонным экраном необходимо моделировать наличие этих швов, для чего можно использовать контактные элементы.

Список литературы

1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. «Проектирование грунтовых плотин» - М.: АСВ, 2001.

References

1. Goldin A.L., Rasskazov L.N. Design of earth dams - M.: ASV, 2001.

Ключевые слова : каменная плотина с железобетонным экраном, периметральный шов, напряжённо-деформированное состояние,

Ключевые слова на английском : concrete-face rockfill dam, perimeter joints, stress-strain state stress-deflected mode

Телефоны авторов : (499) 261-31-43 e-mail авторов :mp_sainov@mail.ru

Рецензент: заместитель руководителя Центра безопасности судоходных гидротехнических

сооружений РРР, к.т.н.А.И. Глазов