Нагрузки и воздействия на гравитационные плотины

ЛЕКЦИЯ 7

На ГТС действуют следующие нагрузки и воздействия:

· постоянные;

· временно длительнодействующие;

· кратковременные;

· особые.

К постоянным относят:

1. Собственный вес сооружения:

,

где — материала тела плотины;

— объем тела плотины;

— ускорение свободного падения, м/с²;

2. Вес постоянного оборудования, местоположение которого не меняется в процессе эксплуатации сооружения (затворы, подъемные механизмы и т. п.).

3. Вес воды над плотиной или ее элементами, работающими совместно с сооружением (например, над понуром).

4. Гидростатическое давление воды на верховую и низовую грани плотины:

,

где у — глубина погружения расчетной точки.

5. Взвешивающее давление воды:

,

где у — глубина погружения точки под уровнем нижнего бьефа.

6. Фильтрационное противодавление;

7. Вес грунта над сооружением;

8. Боковое давление грунта со стороны верхнего и нижнего бьефов; определяется в случае заглубления флютбета сооружения ниже дна, причем поскольку плотина не перемещается выполняется расчет давления покоя.

К временно длительнодействующим нагрузкам относят:

1. Давление наносов, отложившихся перед плотиной для песчаных грунтов:

,

где — плотность наносов:

,

— плотность скелета грунта;

— плотность воды;

— пористость наносов.

у_н — толщина слоя наносов;

— угол внутреннего трения.

2. Температурные воздействия.

Определяются для года со средней амплитудой колебаний среднемесячных температур. Эти воздействия заключаются в определении напряжений в теле плотины вследствие колебаний температуры наружного воздуха.

К кратковременным нагрузкам относят:

1. Силовое динамическое воздействие воды при уровнях в верхнем и нижнем бьефах, соответствующих пропуску через сооружения расходов основного расчетного случая, устанавливаемого в соответствии со СНиП 33-01-2003 и нормальной работе дренажных и противофильтрационных устройств:

,

где — средневзвешенное значение динамического давления:

,

где — коэффициент давления (определяемый эмпирическим путем);

— пульсационная составляющая гидродинамического давления:

,

— коэффициент пульсации.

Динамические нагрузки при осуществлении сбросов воды следует определять для плотин I и II классов по результатам расчетов и экспериментальных исследований, для плотин III и IV классов — по результатам расчетов или аналогам.

2. Давление льда (СНиП 2.06.04-82*) при его среднемноголетней толщине

При прорезании льда отдельно стоящей опорой:

,

где — коэффициент формы опоры; =0,9 при полуциркульной форме или многогранной; 1,0 — при прямоугольной форме; 0,54 — при заостренной форме с углом α=45^о;

— расчетное сопротивление льда раздроблению;

— ширина опоры;

h_л – толщина льда.

При ударе льдины о плоскую грань сооружения большой протяженностью:

,

где — расчетное сопротивления льда на сжатие = 0,15÷0,45 МПа;

— ширина фронта сопротивления;

3. Волновое воздействие (СНиП 2.06.04-82*).

4. Нагрузки от подъемных, перегрузочных, транспортных и других конструкций и механизмов, которые перемещаются по сооружению.

5. Нагрузки от судов (СНиП 2.06.04-82*)

К особым относят следующие нагрузки:

1. Силовое действие воды при ФПУ ВБ и УНБ, соответствующих пропуску воды через сооружение расхода поверочного расчетного случая и нормальной работе дренажных устройств:

· гидростатическое давление воды;

· взвешивающее давление воды;

· фильтрационное давление воды;

· пригрузка основания со стороны ВБ и НБ;

· динамические нагрузки.

2. Силовое действие воды при НПУ ВБ и УНБ, соответствующее минимальному по технологическим и экологическим требованиям расходу при нарушении одного из дренажных или противофильтрационных устройств.

3. Температурные воздействия для года с максимальной амплитудой колебаний среднемесячных температур и для года с максимально низкой среднемесячной температурой.

4. Давление льда при максимальной многолетней толщине льда обеспеченностью 1 %.

5. Волновое воздействие при максимальной многолетней скорости ветра обеспеченностью 2 % для I и II класса сооружений и 4 % – для сооружений III и IV классов.

6. Сейсмическое воздействие учитывается в сейсмических районах
(см. СНиП II-7-81*).

Сочетания нагрузок

При расчетах плотин на основные сочетания нагрузок и воздействий следует учитывать:

· постоянные нагрузки и воздействия;

· временно длительнодействующие;

· кратковременные, которые могут воздействовать одновременно.

При расчетах плотин на особые сочетания нагрузок и воздействий следует учитывать:

· постоянные;

· временные длительнодействующие;

· кратковременные нагрузки;

· одну из особых нагрузок и воздействий.

При определении коэффициентов сочетания нагрузок следует руководствоваться СНиП 33-01-2003.

Расчетные случаи

Расчеты плотин, их оснований и отдельных элементов на прочность и устойчивость следует производить для наиболее неблагоприятных расчетных случаев эксплуатационного и строительного периодов с учетом последовательности возведения и нагружения плотины.

В проекте должна предусматриваться очередность возведения плотины и ее отдельных элементов, при которой усилия, возникающие в строительный период, не вызывают необходимости в дополнительном армировании или другом утяжелении сооружения.

Расчет устойчивости бетонной водосливной плотины
гравитационного типа при плоском сдвиге

Существуют две схемы возможной потери устойчивости сооружения:

— по схеме плоского сдвига;

— по схеме глубинного сдвига.

Для плотин на скальном основании дополнительно рассматривают схему потери устойчивости при опрокидывании.

Выбор той или иной схемы определяется соотношением контактных нормальных напряжений по подошве фундамента и некоторого критического значения.

Если , то имеет место плоский сдвиг;

В противном случае — глубинный.

Критическое значение напряжения можно определить по зависимости:

,

где — эмпирический коэффициент, =2,5;

— удельный вес взвешенного в воде грунта;

— угол внутреннего трения грунта основания;

— длина флютбета плотины;

— удельное сцепление;

Проверка устойчивости при плоском сдвиге

Наиболее распространенным вариантом потери устойчивости плотины по схеме плоского сдвига является смещение сооружения по подошве флютбета. В некоторых случаях при наличии прослоек слабых грунтов в основании сооружения выполняю проверку устойчивости плотины на сдвиг по поверхности слабых грунтов.

Проверка устойчивости бетонной плотины выполняется для первой группы предельных состояний по формуле:

,

где — коэффициент сочетания нагрузок и воздействий (в период нормальной эксплуатации, равный 1,00);

F — сдвигающая сила — гидростатическое давление воды со стороны верхнего бьефа E₁ (рис. 7.1);

γ_c — коэффициент условий работы, принимаемый при нескальных и полускальных грунтах равным 1,00; при скальных грунтах — 0,95;

— коэффициент надежности по ответственности сооружений, принимаемый в зависимости от класса сооружения равным: для I кл. — 1,25; для II кл. — 1,20; для III кл. — 1,15; для IV кл. — 1,10;

R — удерживающая сила, определяемая следующим образом:

,

где — вес секции тела плотины;

— вес разделительных бычков, входящих в состав секции плотины;

— вес воды над телом плотины и понуром (вес воды над понуром учитывается только для анкерного понура);

— вес понура (учитывается только для анкерного понура);

— вес затвора, , F=b_пр·Н₀, м²; — количество затворов в секции;

— взвешивающее давлением воды на флютбет и понур плотины (давление на понур учитывается только для анкерного понура);

— фильтрационное противодавление на флютбет и понур (давление на понур учитывается только для анкерного понура);

— коэффициент трения; =tgφ, φ — угол внутреннего трения; для плотин на скальном основании при предварительных расчетах рекомендуется принимать =0,75—0,8;

— гидростатическое давление воды со стороны нижнего бьефа;

— сила сцепления, =сF_c; с — удельное сцепление; F_c — площадь флютбета и понура в пределах рассматриваемой секции (площадь понура учитывается при анкерном понуре).

Рис. 7.1. К расчету устойчивости на плоский сдвиг бетонной плотины
и определению контактных напряжений в основании