Конструирование плотин и их элементов

Конструирование водосбросных бетонных и железобетонных плотин и их элементов на нескальных основаниях следует выполнять в соответствии с требованиями указаниями в СНИП.

Для водосбросных бетонных и железобетонных плотин на нескальных основаниях надлежит различать следующие основные элементы (черт. 8):

фундаментные плиты; быки и устои; водосливы и водосбросы; деформационные швы и их уплотнения; водобой и рисберма;

противофильтрационные устройства (понур, шпунты, буробетонные сваи и стенки, зубья, противофильтрационные завесы); дренажные устройства.

Водосбросные бетонные и железобетонные плотины на нескальных основаниях следует разбивать на секции температурно-осадочными швами, как правило, по оси быков.

При однородном основании допускается не разбивать плотину на секции, устраивая в отдельных случаях швы-надрезы.

Величину заглубления фундаментной плиты плотины в грунт следует устанавливать с учетом требований статической устойчивости, гидравлических и фильтрационных условий.

При необходимости следует предусматривать устройство бетонного зуба или низового шпунтового ограждения.

Торец фундаментной плиты плотины с понуром из связных грунтов следует проектировать наклонным в сторону верхнего бьефа.

В пределах секции плотины следует предусматривать жесткое соединение быков с фундаментной плитой. Допускается предусматривать раздельное возведение быков и фундаментной плиты с последующим омоноличиванием швов.

Сопрягающий устой, входящий в состав береговой секции плотины, следует располагать, как правило, на общей фундаментной плите. Допускается сопрягающий устой проектировать в виде подпорной стены, при этом в температурно-осадочном шве между устоем, водосливом и фундаментной плитой необходимо предусматривать уплотнения.

Сопрягающие устои в пределах понура, водобоя и рисбермы следует проектировать в виде подпорных стен.

При проектировании плотины, в зависимости от пролета водосливных отверстий, климатических и инженерно-геологических условий района строительства следует предусматривать жесткую заделку водослива в быки или устройство между ними температурных швов, прорезающих водослив в плоскости лицевой грани быка от гребня до верха фундаментной плиты. При водосливных отверстиях пролетом более 30 м следует предусматривать устройство температурных швов в теле водослива.

Глубинные водосбросы плотин на нескальных основаниях надлежит проектировать в виде замкнутых железобетонных рам.

При проектировании водосбросных плотин на нескальных основаниях в качестве основной формы сопряжения бьефов следует принимать донный режим, предусматривая в необходимых случаях устройство гасителей энергии и растекателей потока.

При донном режиме сопряжения бьефов в качестве основных надлежит принимать следующие типы гасителей энергии:

сплошная водобойная стенка;

водобойный колодец;

водобойная стенка с расположенным ниже ее неглубоким водобойным колодцем;

прорезная водобойная стенка;

гаситель в виде нескольких рядов шашек или пирсов;

комбинированные из разных типов указанных гасителей.

Допускается применение и других типов гасителей при надлежащем технико-экономическом и экспериментальном обосновании.

Выбор типа гасителей, их расположение на водобое необходимо определять на основании технико-экономического сравнения вариантов с учетом допустимых глубин на водобое, условий возникновения кавитации и сбойности течения, а также размывающей способности потока ниже гасителей. Минимальное расстояние от сжатого сечения потока до гасителей следует принимать равным от 4 до 4,5 высоты прыжка или применять безэрозионные гасители.

Конструкция гасителя наряду с гашением энергии должна обеспечивать устойчивость потока и исключать опасность возникновения сбойных течений. В нижнем бьефе малопролетных плотин целесообразно применение специальных противосбойных гасителей.

Длина и профиль рисбермы, конструкция переходного крепления от рисбермы к незакрепленному руслу должны определяться на основе технико-экономического сопоставления вариантов, с учетом обеспечения неразмывающих скоростей потока в начале незакрепленного русла.
Для плотин I, II и III классов рисберму следует проектировать, как правило, в виде плит из монолитного бетона или железобетона.

Для плотин IV класса рисберму допускается предусматривать в виде каменной наброски или отмостки, габионных сеток, сборных бетонных или железобетонных плит, соединенных между собой арматурой.

Толщины плит водобоя и рисбермы определяются расчетом из условий обеспечения их прочности и устойчивости с учетом осредненных и пульсационных нагрузок. Необходимо предусматривать разрезку их температурно-осадочными швами, дренирование подплитной области, устройство дренажных колодцев и др.

Тип и конструкцию дренажа подплитной области водобоя и рисбермы, размеры и размещение дренажных колодцев следует выбирать в зависимости от величины и распределения гидродинамического давления при различных сбросных расходах через плотину. При этом должны быть исключены возникновение высокого осредненного и пульсационного давления в подплитной области и суффозионные явления в обратном фильтре и подстилающем грунте.

Допускается устраивать закрытые дренажные колодцы с выводом фильтрационной воды в сопрягающих устоях, раздельных стенках, быках.

Выпуски дренажа следует размещать в зонах пониженного давления, ниже минимального уровня нижнего бьефа.

В рисберме из сборных плит дренажные колодцы допускается не устраивать.

В конце рисбермы следует предусматривать устройства в виде вертикальной стены, предохранительного ковша, переходного деформируемого крепления или сочетания из этих конструкций (см. черт. 8).

Вертикальные стены в конце рисбермы или водобоя (в виде бетонной или железобетонной стены, шпунтовой стены плоской или ячеистой конструкции, ряжей, заполненных камнем и др.) следует проектировать на всю глубину возможного размыва грунта. Допускается устраивать вертикальную стену не на полную глубину размыва с участком переходного деформируемого крепления за ней.

При устройстве предохранительного ковша в конце рисбермы с переходным креплением его верхового откоса и дна заложение низового размываемого откоса ковша следует определять из условия его устойчивости в строительный период. Заложение верхового откоса ковша следует назначать с учетом гидравлических условий растекания потока и размещения на нем наклонного участка рисбермы или переходного деформируемого крепления.

Переходное деформируемое крепление надлежит проектировать в виде отдельных бетонных или железобетонных плит, шарнирно связанных между собой или с компенсационными связями; из гравийной или каменной наброски; габионных, фашинных креплений или иной конструкции тюфяков с пригрузкой их камнем или гравием, а также в виде сочетания этих типов креплений.

Тип крепления следует выбирать на основании сравнения технико-экономических показателей разработанных вариантов с учетом гидравлических условий, допустимой глубины размыва и других факторов.

Сопряжение бетонных и железобетонных плотин с основанием

Удаление (съем) грунта в основании плотины должно быть минимальным и обосновано расчетами плотин на прочность и устойчивость с учетом мероприятий по укреплению грунта основания.

Выравнивание контактных поверхностей скальных оснований бетонных плотин не допускается. Сопряжение арочных и арочно-гравитационных плотин с косогорными участками основания следует производить, как правило, без уступов.

При проектировании бетонных и железобетонных плотин в случае необходимости следует предусматривать мероприятия по улучшению прочностных, деформационных и фильтрационных свойств грунтов оснований:

закрепление и уплотнение грунтов основания или его части цементационными или другими вяжущими растворами;

дренирование глинистых водонасыщенных грунтов;

устройство подпорных стен, поддерживающих склоны и откосы

массивов и анкеровку неустойчивых скальных массивов;

разделку горным способом крупных трещин, разломов и пустот в скальных массивах с последующим заполнением их бетоном или железобетоном в виде отдельных пробок, шпонок, сплошных полос или решеток.

Во всех случаях, когда основание сложено фильтрующими слабоводоустойчивыми и быстрорастворимыми грунтами, необходимо предусматривать противофильтрационные и дренажные устройства. При грунтах, устойчивых против химической и механической суффозии, такие устройства должны быть обоснованы технико-экономическими расчетами.

Противофильтрационные и дренажные устройства в основании плотины надлежит сопрягать с аналогичными устройствами в берегах и в примыкающих к плотине сооружениях гидроузла.

Противофильтрационную завесу следует предусматривать, как правило, до слабоводопроницаемых или практически водонепроницаемых грунтов. Глубина завесы при отсутствии водоупора определяется расчетом с учетом инженерно-геологических условий, проницаемости грунтов, величины противодавления в основании плотины, наличия дренажа и т.д.

Критические средние градиенты напора на противофильтрационной завесе следует принимать:

а) для нескальных грунтов основания;

б) для скальных грунтов основания.

По плотности бетоны делят на особо тяжелые с плотностью более 2500 кг/м³; тяжёлые 1800-2500; легкие 500-1800; особо лёгкие - менее 500 кг/м³.

По виду используемого вяжущего: бетоны цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементые.

По назначению различают: обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаменты, колонны, балки, перекрытия, фермы и т.д.); гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, водопроводно-канализационных сооружений и т.д.; бетон для ограждающих конструкций (стены, перегородки и т.д.); дорожный бетон (покрытия дорог, тротуаров, аэродромов); бетоны специального назначения: кислостойкий, жароупорный, гидратный (для радиационной защиты).

Бетоны разделяют на классы: В1; В1,5; B2; B2,5; В3,5; B5; B7,5; B10; B12,5; B15; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; B60. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Переход от класса бетона В к его средней прочности (МПа), контролируемой на производстве на образцах размером 15x15x15 см, осуществляют расчетом по формуле Rcрб= В/0,778, где R срб=средняя прочность бетона.

Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего:

· Бетон на неорганических вяжущих (цементные бетоны, гипсобетоны, силикатные бетоны, кислотоупорные бетоны, жаростойкие бетоны и другие специальные бетоны)

· Бетон на органических вяжущих (асфальтобетоны, пластбетоны).

Цементные бетоны в зависимости от объёмной массы (в кг/м³) подразделяются на:

· особо тяжёлые (более 2500);

· тяжёлые (от 1800 до 2500);

· лёгкие (от 500 до 1800);

· особо лёгкие (менее 500).

Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий). Они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны обычно вводят добавку карбида бора или др. добавки, содержащие лёгкие элементы - водород, литий, кадмий. Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетон, подвергающихся воздействию морских, пресных вод, а также атмосферы.

К заполнителям для тяжёлых бетонов предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов СССР приводили к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетона, что достигается применением быстротвердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и др. способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими бетоном занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого бетон: они названы в зависимости от вида примененного заполнителя-вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобетон, перлитобетон, туфобетон и другие.

По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие бетоны подразделяются:

· на обычные лёгкие бетоны (с полным заполнением межзернового пространства);

· малопесчаные лёгкие бетоны (с частичным заполнением межзернового пространства);

· крупнопористые лёгкие бетоны, изготовляемые без мелкого заполнителя;

· лёгкие бетоны с цементным камнем, поризованные при помощи газо- или пенообразователей;

По виду вяжущего лёгкие бетоны на пористых заполнителях разделяются как:

· цементные

· цементно-известковые

· известково-шлаковые

· силикатные

Рациональная область применения лёгких бетонов – наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный лёгкий бетон используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К лёгким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м³.

По способу образования пористой структуры ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобетоны, по виду вяжущего:на газо- и пенобетоны, получаемые с применением портландцемента или смешанных вяжущих; на газо- и пеносиликаты, изготовляемые на основе извести; газо- и пеношлакобетоны с применением молотых доменных шлаков. При использовании золы вместо кварцевого песка ячеистые бетоны называются газо- и пенозолобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношлакозолобетонами. Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.

Области применения бетона в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных бетонов (тяжёлых и лёгких), а также бетонов с заданными физико-техническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетона с учётом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и другие.

Лекция №12