> Техника, страница 46 > Железобетонные плотины

Железобетонные плотины

Железобетонные плотины, плотины, материалом которых является по преимуществу железобетон. В современ. практике плотиностроения железобетон играет большую роль, нередко позволяя использовать в конструкции вес самой воды в целях устойчивости сооружения, придавая последнему формы, повышающие его устойчивость до пределов, недоступных при прочих материалах. Господствующим типом Ж. п. является полая плотина с передней (напорной) гранью, наклоненной к горизонту под углом от 30 до 45°, и контрфорсами (устоями), расположенными на расстоянии от 1,5 до 6,0 метров и более один от другого в зависимости от высоты плотины. Эта передняя грань образуется плитой, выдерживающей давление воды и опирающейся на контрфорсы. В больших плотинах плиты заменяют арками, допускающими увеличение расстояния между контрфорсами и способствующими лучшему использованию и сохранению материала, т. к. образующиеся трещины сами закрываются вследствие работы арки на сжатие. Толщина контрфорсов увеличивается сверху вниз от 0,15 до 1» и более, путем устройства уступов или применения трапецоидального профиля контрфорса по его толщине. В целях же придания всей конструкции жесткости контрфорсы соединяются” между собою ребрами жесткости (фигура 1) в виде железобетонных балок и плит. Уклон задней грани .контрфорсов во-доудержательных плотин обыкновенно равен 0—15° по отношению к вертикали. При допускаемом напряжении бетона на сжатие 20—25 килограмм/см² для контрфорсов берут

Фигура 1.

обычно состав бетона 1:3:6. По конструктивным соображениям (требования жесткости сооружения в целом) контрфорсам придают размеры несколько более солидные, чем того требует расчет. Обычно контрфорсы снабжаются легкой арматурой. Напорная плита делается из бетона состава 1:2:4 с применением портланд-цемента, крупнозернистого острогранного чистого речного или морского песка и мелкого гравия безупречной промывки. Допускаемые напряжения для плиты: на сжатие от 35 килограмм/см^г и выше для бетона и 1000 килограмм/см² для железа на растяжение. Железо располагается в расстоянии 2—4 сантиметров и более от напорной грани. Отличительная черта плотин рассматриваемого типа—высокие коэфф-ты устойчивости сооружения на опрокидывание и на скольжение, что объясняется наклонным положением силы давления воды на переднюю плиту и отчасти наклонным положением задней грани контрфорсов. Давление на основание передается в подошвах контрфорсов, воспринимающих нагрузку от напорных плит, работающих под давлением воды. Плиты работают, как балки, полузаделанные на концах с моментом М ; контрфорсы—на неравномерное сжатие и продольный изгиб, который устраняется введением ряда ребер жесткости. Плита, кроме условий прочности, должна удовлетворять условию водонепроницаемости; толщина δ плиты, при составе бетона 1:2:4, в зависимости от напора h (по Житкевичу) равна (в jvt):

1,20 12,000 30,000

0,10 0,37 1,65

Эти данные являются средними и иногда в практике уменьшаются.

Расчетную толщину плиты определяют по формуле Кристофа (Cristophe): <5=0,0044]/~М или лучше по одной из ф-л:

<5"=0,00375 Y и <

= 0,003751=0,003751 -у/~=0,003751 |/~-

когда опоры ’ свободные;

когда опоры ¹ полузаделанные;

когда опоры ¹ заделанные.

При этом конструктивная толщина <5=<5" + + Δδ", где Δ<5" равно от 0,02 до 0,04 метров При нахождении величины М (расчет ведут по горизонтальным полосам) берут величину р, отвечающую нагрузке на 1 п. м пролета в нижней точке полосы шириной 1 метров по высоте и пролетом I. Коэффициент насыщения железом лучше всего брать 1%—это отвечает наибольшей экономии.

Для расчета устоев будем иметь следующие формулы.

Вес устоя равен (фигура 2):

β=·γ β d₀-h*{ 2«»+ 1), где γ — вес 1 м³ тела устоя, β=, ®

остальные величины видны из фигура 2

Точка <5> приложения силы веса G лежит на прямой РО, соединяющей вершину Р с серединой О основания; с другой стороны, точка 8 отстоит от вершины Р на расстоянии

_ 1г. 33+1 _ (O)

^Ζ° 2 2» +1 ^w

(1)

d~„ ’

Величина где

zu=h-	h ~zo=a	# + 1 20 + 1	(3)
h e=2	у—1 Τ—ί + +	>-3·	(4)

н

Момент силы веса M_G относительно точки О Μ_ο=+ α·β=±._γ·β·ά₀·ν(μ-§φ+1).(5)

Знак (+) отвечает случаю, изображенному на чертеже. Возможен случай, когда M_G<0.

Если отношение толщины устоя d₀ к расстоянию между осями устоев равно δ

(6)

то из ур-ий (1) и (5) получим:

G=-v-d.h*-L-fi(2» +1), (Г)

M_G=¹12-yd.h°-L.,e(/* —Dφ +1). (50 Вертикальная слагающая давления воды

^Ау= Уо ^L ’ У^г · (?)

Горизонтальная слагающая давления воды

^НУ= · Уо ^L У²· (8)

В ф-лах (7) и (8) величина у₀ означает удельный вес воды.

Моменты слагающихдавления воды относительно точки О

Мл —

Уо · L μ β · h у² +

(9)

(10)

+ -g · Уо ^L ^ y^z;

М-н=H_y · ^Vs=l · _Уо L · ?f.

Сумма всех вертикальных сил Σ V=G + А„, а полная величина моментов сил ϊΜ== M_G + М_л + М_и.

Напряжение на задней (обращенной к нижнему бьефу) грани:

(И)

² b-d_u b² · d_t

Напряжение на передней (напорной) грани:

(но

Ь · fi.,.

ь‘ а,.

Главные напряжения на задней и напорной гранях устоя (фигура 3) соответственно равны: а) при полном водохранилище

<Д=

Sin’ φ,

Slll“ φ₂

- Ρ · Ctg² φ₁ ; Τχ =

- Ρ · Ctg² φ₂ ; τ, =

Sill² <Ρχ

Sin² φ₂

(12)

^{1 у}° У d_u δ·» ’

σ и τ со значками—соответственно главные нормальные и касательные напряжения;

б) при порожнем водохрани-лище главные напряжения оп- bг/А ределяются по тем же форму- /ь 1ра лам (12) при условии прирав-нения величины р нулю. _{фиг 3}

Для устойчивости сооружения на скольжение необходимо, чтобы

f(G + A)> Н, или > ; ^Н в крайнем случае:

G + A

=

Я

^: п а + А ^1тт%

Величина определится из равенства: 1

f-

_μ+ Υ.β.в-(2»+1)

где у=у · Из трех сил H, G и А сила II

старается опрокинуть устой вокруг точки 0_lt а силы А и G противодействуют этому.

Если моменты этих сил относительно точки Οχ обозначить соответственно через Μ_Ηι, M_G, М_А, то для устойчивости сооружения необходимо, чтобы было соблюдено условие: М_л

или

^МА, + ^MG,

Мн,

= S > 1.

Обыкновенно бер^т о=от 1,5 до 2, что нетрудно обеспечить надлежащим выбором угла наклона передней грани.

Коэфф-т устойчивости на опрокидывание определится из равенства:

ρ=^·β·δ [(5/? - 2/0 & + 3β-2μ] + μ (3β - μ).

Аналогичным образом решается задача в случае принятия фильтрационного давления воды снизу. При устройстве полой Ж. п. на скалистом” основании необходимо обратить внимание на соединение передней плиты и

Фигура 4.

контрфорсов со скалой. Плита должен быть погружена вниз в виде зуба до вполне прочной и водонепроницаемой породы, контрфорсы должен быть заделаны в прочную скалу, свободно выдерживающую нагрузку от контрфорсов. Для примера приведем данные о двух плотинах.

Итальянская плотина Комбамала (Сот-bamala, 1917—18 гг.) имеет высоту до 38 Jit и длину 90 метров (фигура 4 и 5). Передняя грань наклонена к горизонту под углом 55° и состоит из плит размерами 5 х 5 м, при толщ, их 1,35 метров внизу и 0,35 метров у гребня. Контрфорсы расставлены на 5,50 метров друг от друга (центр от центра), при толщине их внизу 1,85 метров и вверху 0,35 ж. Бетон в сооружении нигде не работает на растяжение. Передняя плита погружена в прочную водонепроницаемую породу на глубину не менее 3 метров Для лучшего сопротивления горизонтальной сдвигающей силе устроены упоры в скалу в верховой и низовой частях.

Плотина Селюн (Selune, Франция) имеет высоту до 15 метров Напорная грань составлена из 17 полуциркульных арок пролетом в 5 м,

имеющих толщину по низу 0,16 ж и по верху 0,12 метров (фигура 6—8). В виду незначительной толщины арки водонепроницаемость ее достигнута покрытием напорной поверхности цементной штукатуркой, в к-рую погружена метал, сетка. Арки работают на сжатие с напряжением до 38 килограмм/см². Швов соединения не устраивалось. Контрфорсы имеют толщину 0,20 ж и поддерживают пешеходный мостик шириной 2,50 м: при расчете мостика принято напряжение бетона на сжатие 45 килограмм/см². Давление на основание не превышаеет 7 килограмм/см². Арматура арок состоит из железа диам. 10 миллиметров и распределителей диам. 6 миллиметров.

Применение рассматриваемого типаЖ. п. при значительных высотах ограничивается пока несжимаемыми, трудно размываемыми грунтами: галечно-гравелистыми, пес чано-гравелистыми, галькой с валунами и плотными глинистыми; что касается прочих мягких грунтов (мягкий песчано-глинистый, песчаный, песчано-илистый и друг.), то на них водоудержательные Ж. п. значительной высоты пока не устраивались. В пределах подпора в 5—8 метров возможно построить полую плотину и на последних грунтах, прибегая к шпунтовым рядам, а в случае надобности и к свайным основаниям. На первом

месте стоят металлич. шпунтовые ряды, забитые на достаточную глубину с верховой стороны в один или два ряда, смотря по грунту и по подпору; они позволяют довести фильтрацию в основании до минимума, предупреждая вымывание мелких частиц грунта из-под сооружения. В данном случае передняя плита переходит в глубокий зуб, опущенный в грунт. В случае опасности фильтрации воды вдоль зуба и далее вдоль осно вания делают забивку верхового шпунта ниже зуба на глубину, равную подпору плотины. При метал, шпунтовом ряде ограничиваются устройством его с верховой стороны, не прибегая к устройству его с низовой стороны. Водосливная часть железобетонных водоудержательных плотин ничем не

отличается от водоподъемных водосливных плотин. Водобойная часть при значительном подпоре требует устройства водяной подушки, как требуют этого и каменные водосливы. Правильный выбор угла а наклона напорной грани играет большую роль в распределении напряжений в теле полой плотины. Величина а в зависимости от высоты плотины z и толщины переливающегося слоя h₀ (фигура 9) определится следующим образом.

Фигура 9.

Если Ну—горизонтальное давление, а А_у— вертикальное давление воды на переднюю грань плотины, то на 1 п. м длины сооружения, при весе 1 ж³ воды, равном γ₀,

т.т z^a + 2zh₀.V > Уо“

А

у

z² + 2zh₀2 tg а

Чем меньше величина а, тем больше величи-чина А_у. Силы А_у и Н„ пересекаются в точке Р и заменяются равнодействующей R при расстоянии а точки Р от подошвы:

_ z(z + 3h₀) _ 3(z -I- 2h₀)

Величина силы R определяется площадью эпюры AEI1J, где HE=h₀ и AJ=z + h₀:

Сила R пересекает подошву в точке L, положение которой определяется величиной

,т a z____ г + 3h₀ _

ЛЬ=е — _{sin α}. _cosa ^— 3 - sin α - COS α z + 2h₀

При проектировании необходимо достигнуть того,чтобы точка L была внутри средней трети и никак не выходила правее К_г, границы крайней трети сечения контрфорса. Низовая грань контрфорса плотины колеблется в практике между отвесным и перпендикулярным к напорной грани положениями. В первом случае, при совпадении точки L с точкой К_г или при положении, близком к этому, угол а лежит между 45 и 38°, причем а тем меньше, чем больше h₀. Угол а м. б. вычислен по уравнению:

cos

Z -f· 2 h₀

при чем для h₀ надо брать возможно большее значение. Когда низовая грань контрфорса плотины расположена перпендикулярно к напорной грани, то есть ЕМ_г±.АЕ, то равнодействующая всех сил проходит внутри средней трети подошвы контрфорса и в предельном положении—через точку К_г, когда h₀близко к нулю. При возрастании h₀ точка L перемещается к середине (в сторону внутренней трети). Угол а в данном случае также целесообразнее всего брать в пределах 40—45°, как показала практика возведения плотин в Америке. Конструкция водосливных Ж. п. аналогична конструкции плотин водоудержательных.

Лит.: А н и с и м о в Н. И., Плотины, ч. 1, М., 1928, ч. 2, М., 1924; Ж и т к е в и ч Н. А., Бетон и бетонные работы, СПБ, 1912; BonnetM.F., Cours de barrages, 2 6d., P., 1920; Garnier B., Forces hydrauliques, v. 1—3, P., 1922; Taylor W. T. a. Braymer D. H., American Hydro-Electric Practice, N. Y., 1917; Wegmann E., The Design a. Construction of Dams, N.Y., 1927; Ziegler P., Der Talsperrenbau, B. 2, B., 1927; Kelen N., Die Stau-mauern, B., 1926. H. Анисимов.