Рис. 20—10. Вид многоарочной железобетонной плотины Мэйшань с верхнего бьефа.
Применение арок вместо плоских перекрытии позволяет увеличить расстояние между контрфорсами до 12—20 м (в отдельных случаях до 50 м) (рис. 20—10). Экономически на и вы годней шее расстояние между контрфорсами выбирают на основе сравнения нескольких вариантов плотин с различными пролетами арок. Вследствие жесткого соединения арок и контрфорсов, не допускающего неравномерных осадок, многоарочные плотины, как правило, возводят на хорошем скальном основании. Большей частью эти плотины строят глухими (рис. 20—11). Плотины небольших напоров делают иногда водосливными, для чего их оголовку придают округленный профиль, обеспечивающий свободное падение струи.
Рис. 20—11. План и разрезы контрфорса многоарочной плотины:
1 — температурный том арки, заделанный медной пластинкой; 2 — отверстие для прохождения воздуха; 3 — смотровая галерея; 4 — дренажные отверстия; 5 — усадочные швы контрфорса.
При гидравлическом расчете водосливных многоарочных плотин со свободным падением струи необходимо учитывать особенности гидравлики этих плотин: вследствие наклона арок в сторону нижнего бьефа водосливные линии имеют очертание дуг эллипса, а близкое друг к другу расположение арок влияет на условия подхода воды к водосливным оголовкам плотины. Экспериментальными исследованиями Г. Н. Сурьянинова были установлены зависимости величины коэффициента расхода в обычной формуле водослива от отношения напора на водосливе к радиусу кривизны последнего, от значения центрального угла водослива, условий подхода потока и наклона арки 1. При круговой в плане форме водослива (арки) переливающийся поток сжимается, что влечет за собой размыв основания. Многоарочные плотины с водосливной плитой не строят из-за сложности сопряжения арок с плитой. Большинство водосбросных сооружений многоарочных плотин возводят в стороне или рядом с плотиной. Как пример, можно указать на водосброс плотины Бени-Бадель (Алжир)2. Особенность водосброса состоит из выдвинутых в верхний бьеф 30 лотков, перпендикулярных к оси плотины.
1 Г. П. Сурьянинов. Гидравлика многоарочных водосливных плотин. «Гидротехническое строительство» № 2, 1958.
2 А. П. Лебедев. Водосброс Бени-Бадель. «Гидротехническое строительство» № 1, 1956.
Лоток шириной 3,5 м представляет собой консоль общей длиной 30 м, опирающуюся на расстоянии около 10 м от своего начала на вертикальную опору, основанную на прочной скале. Консоль переходит в водосливную плиту пустотелой плотины. Такая конструкция водосброса обеспечивает пропуск 1000 м/сек при толщине переливающегося слоя 0,5 м.
Рис. 20—12. Сопряжение пят арок с контрфорсом: а — жесткие; б — с помощью особой плиты.
Арки. В каждом сечении, нормальном наклонной образующей свода, арка имеет круговое очертание обычно постоянной толщины. Последнее вызывается более простыми условиями производства работ. Пяты арок вырезанного таким образом полу кольцевого сечения находятся на большей глубине от поверхности воды, чем ключ арки, и поэтому материал пят испытывает большие напряжения. Для снижения величин этих напряжений полезно толщину сечения арок увеличивать от ключа к пятам. В соответствии с возрастанием давления воды сечение арок книзу утолщается. Толщину арок вверху обычно назначают от 0,3 до 0,5 м, а понизу 1,3—2,0 м. Для восприятия разнозначных напряжений в сечениях арок укладывают двойную арматуру. В некоторых плотинах для армирования применены сварные фермы.
Центральный угол отдельных арок (пролетов) обычно принимают в пределах 160—180° (2,8—3,14 рад): В большинстве построенных плотин осуществлено жесткое соединение арок с контрфорсами путем запуска арматуры арок в контрфорсы (рис. 20—12, а). Недостаток такого соединения состоит в появлении температурных и усадочных растягивающих напряжений, приводящих к образованию трещин в арках и на верховой грани контрфорсов, а также в отсутствии подвижности отдельных частей плотины в случае их неравномерной осадки или перекоса.
Существуют предложения не связывать жестко арки с контрфорсами, а соединять их особой плитой, опирающейся на контрфорсы (рис. 20—12, б). Преимущество такого соединения состоит в том, что контрфорсы можно возводить самостоятельно от арок и осадки первых не влияют на арки. Для придания водонепроницаемости аркам применяют такие же мероприятия, как и в железобетонных плотинах с плоскими перекрытиями (см. § 20—2). Запроектированы многоарочные контрфорсные плотины из сборных элементов. Как пример, приводится конструкция такой плотины в условиях Зейского гидроузла 1 (рис. 20—13). По высоте плотина делится на ярусы высотой 2 м для напорной плиты и 2,5 м для арочного перекрытия плотины. Толщина элементов по высоте плотины меняется от 2,5 м у гребня до 4,5 м у основания. Толщина стенок сборных элементов арки составляет: со стороны верхней грани 0,5 м со стороны низовой 0,9 м. радиальные 0,4 м. Для лучшего сцепления монолитного бетона с бетоном сборных элементов на внутреннюю поверхность последних наносят штрабы.
В отличие от одноарочных арки многоарочных плотин нагружены неравномерным давлением воды вследствие большего заглубления в одном и том же сечении пят арки относительно ее ключа (так как образующая наклонена к горизонту).
1 С. С. Беклимишевский. Применение спорного железобетона в контрфорсно-арочных плотинах. Сборные железобетонные водосбросные сооружения. Госэнергоиздат, 1962.
Кроме этой особенности, в расчете приходится учитывать составляющую собственного веса арки, направленную нормально к напорной грани (в арочных плотинах с вертикальными сводами собственный вес не учитывается, так как он действует перпендикулярно плоскости арочного полукольца, вызывая лишь прижатие одного полукольца к другому).
Прочие силы (температурно-усадочные, давление наносов и др.) учитывают в расчете так же. как и для одноарочных плотин.
Рис. 20—14. План контрфорса с ребрами жесткости.
Контрфорсы.
Конструкции контрфорсов многоарочных плотин и железобетонных плотин с плоским перекрытием в основном аналогичны. Толщина железобетонных контрфорсов поверху 0,4—2 м. а бетонных до 2,5—6,5 м. Толщина понизу зависит от высоты плотины и расстояния между контрфорсами: построены плотины с контрфорсами с толщиной понизу от 0.5 до 8 м (чаще от 1,3 до 5 м). Связи жесткости между железобетонными контрфорсами устраивают на расстоянии 7 — 13 м друг от друга. Для увеличения жесткости контрфорсы иногда делают полыми, состоящими из двух продольных стен, соединенных перегородками (рис. 20—11). С этой же целью вместо балок жесткости в сплошных контрфорсах для увеличения момента инерции сечения контрфорса устраивают ребра жесткости (рис. 20 — 14).
Примером многоарочной железобетонной плотины является плотина Мэйшань на р. Шихэ (Китайская Народная Республика) (рис. 20—10, 20—11, 20—15, 20—16). В основании плотины залегают мелкозернистые граниты, прикрытые песчано-гравелистым аллювием, мощностью до 12 м. Граниты на глубину 0,5—2 м выветрились и имеют трещины. Наибольшая высота плотины 88,24 м.
Плотина состоит из 16 арок, с внутренним радиусом 6,75 м и 15 контрфорсов шириной на напорной грани по 6,5 м (рис. 20—16). Общая длина плотины 313,5 м. Сечение контрфорсов ячеистое. Напорная грань контрфорсов наклонена со стороны верхнего бьефа под углом 48°, со стороны нижнего бьефа 70’20'. Толщина продольных стен контрфорса увеличивается как к подошве контрфорса (от 0,568 до 2,55 м), так и по направлению
от напорной грани к низовой. Ширина низовой грани контрфорса по высоте изменяется от 6,56 до 8,744 м. Защитный слой бетона 10 см. В контрфорсах было оставлено по пяти усадочных вертикальных швов, разделяющих контрфорс на шесть секций и заделанных через 7—10 дней после усадки бетона. Толщина арок переменная по высоте: от 0,53 м у гребня плотин до 2,3 м у основания. Арматура арок и контрфорсов была пропущена в бетон, которым была покрыта после удаления выветривавшегося слоя скала основания. Цементация скалы была проведена из двух рядов скважин глубиной 5 м, расстояние между рядами 4 м и между скважинами 3 м.
