Глава 19
Арочные плотины
§ 19-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Арочными называются плотины, имеющие в плане форму арки и передающие воспринимаемое ими давление воды главным образом или полностью (в отличие от гравитационных плотин) на берега ущелья или, в редких случаях, на специально возводимые устои.
Большие давления, передаваемые арками на берега, могут быть восприняты скалой хорошего качества. Поэтому арочные плотины строят обычно в гористых местностях, в ущельях, дно и особенно склоны которых в створе плотины сложены прочными водонепроницаемыми изверженными или крепкими осадочными породами.
Профиль плотины зависит от ее высоты и очертания ущелья. Чем шире ущелье, тем большим радиусом надо очерчивать плотину, что ведет к уменьшению части давления воды, воспринимаемой берегами, и к увеличению другой части давления, передаваемой через подошву плотины на основание. По мере увеличения давления, передаваемого плотиной основанию, возрастает необходимость увеличения веса плотины путем придания профилю значительной ширины понизу; сечение арочной плотины в этом случае приближается к профилю гравитационной плотины. И наоборот, в арочных плотинах, построенных в узких ущельях, давление воды полностью передается берегам, что позволяет придавать поперечному сечению плотины минимальные размеры, определяемые допускаемыми напряжениями в ее материале.
Арочные плотины относятся к распространенным типам плотин. В странах Западной Европы с относительно обширными горными районами строительству арочных плотин уделяют большое внимание; так например, из 45 плотин высотой более 30 построенных во Франции, 24 построены после 1950 г. В Италии на 1960 г. были построены и строились 59 арочных плотин высотой более 30 м. В СССР на р. Ингури строится арочная плотина высотой около 300 м1 .
Преимуществом арочных плотин является меньший по сравнению с гравитационными объем тела плотины. В бетонных арочных плотинах объем бетона составляет 40—50%. а в железобетонных — 20—25 % объема гравитационном плотины той же высоты.
Целостность статической работы арочных плотин как пространственных конструкций обеспечивает высокие запасы прочности и устойчивости; пространственная работа выражается тем больше, чем тоньше плотины. До сих пор разрушений, вызванных арочной формой плотин, в мировой практике не наблюдалось.
К достоинствам арочных плотин следует отнести также легкость и упругость конструкции, противостоящей, по наблюдениям в Италии и Калифорнии, сейсмическим толчкам, что позволяет считать эту конструкцию сейсмостойкой.
1 Арочные плотины. Под редакцией А. А. Борового. Госэнергоиздат, 1961.
Арочные плотины обычно возводят из бетона; железобетонные арочные плотины применяют редко. Бетон в арочной плотине должен быть более высокой марки, чем в гравитационной, вследствие того, что арочные плотины допускают более высокие напряжения. Бетон арочных плотин испытывает растягивающие напряжения, тогда как в гравитационных последние не допускаются.
Возведение арочных плотил возможно, как правило, при хороших геологических условиях створа. Берега и дно ущелья должны быть сложены прочной скалой, которая может воспринимать без больших деформаций передаваемое аркой давление воды; сюда относятся изверженные породы, граниты, гнейсы, порфиры и др. и в меньшей степени прочные осадочные породы: известняки и песчаники.
Раньше наличие монолитной, водонепроницаемой, обладающей высокой механической прочностью скалы являлось обязательным условном возможности возведения арочной плотины. В настоящее время применяемые способы борьбы с фильтрацией в скальных основаниях (цементация и т. д.) позволяют возводить арочные плотины в разнообразных геологических условиях, на сильно трещиноватых известняках и мергелях и при несимметричной и распластанной форме ущелий.
В последнее время арочным плотинам придают симметричное очертание относительно оси, что упрощает расчет и делает статическую работу плотины более понятной. Для придания плотине симметричного очертания иногда приходится выполнять срезку берегов ущелья, а впадины в берегах заполнять бетоном.
В противофильтрационных целях под плотиной устраивают бетонный зуб. запущенный в русло реки и склоны ущелья; ниже зуба обязательно делают глубокую цементационную завесу. Предварительно, для лучшего сопряжения плотины со скалой, производят тщательную подготовку основания: удаляют аллювиальный слой, а также разрушенную верхнюю часть скалы, очищают поверхность скалы от пыли, мусора, следов жиров водой или струей воды с песком. Для усиления монолитности скалы всю площадь подошвы цементируют через неглубокие скважины. В бортах ущелья скалу (при наличии в них трещин) укрепляют анкеровкой арматуры, привязкой тросами, зацементированными пробуренными скважинами. Объемы цементационных работ достигают больших величин. В законченной в 1958 г. высокой арочной плотине Мовуазен на р. Драпе (Швейцария) высотой 237 м цементация основной завесы выполнена из горизонтальных штолен на глубину 200 м, а в бортах (в створе плотины) — до 70 м. Расстояние между скважинами диаметром 45—65 мм составляло 6 м. Общая длина скважин, зацементированных до начала 1956 г., равна 40 км; израсходовано 6 тыс. т цемента.
На рисунке 19—1 изображено поперечное сечение ущелья плотины Цойцир (Швейцария), возведенной на прочном известняке. Цементационные работы выполнялись с поверхности земли и из горизонтальных штолен, так как крутые склоны ущелья неудобны для бурения и производства этих работ 1.
В зависимости от формы профиля эти плотины подразделяют на собственно арочные и арочно-гравитационные плотины. Точный критерий подобного разделения не установлен, поэтому отнесение плотины к одному из этих типов является несколько условным. К собственно арочным плотинам (иногда их называют топкими арками) относят плотины, работающие как арки, т. е. передающие все давление воды или большую часть его на берега. Их профиль имеет ширину по основанию В < 0,35 Н, где Н — наибольшая высота плотины.
1 С. С. Обрезков. Строительство плотин в Швейцарии. «Гидротехническое строительство» № 2, 1957.
В арочно-гравитационных плотинах, где большая часть давления передается на основание, ширину профиля понизу приходится делать равной (0,35—0,65) Н. Отношение B/Н называется коэффициентом стройности плотины.
Экономичность применения рассматриваемых плотин связана также с шириной ущелья и его очертанием. Строительство чисто арочной плотины экономически оправдывается при коэффициенте створа п = L:Н<1,5— 2,0, а арочно-гравитационной — при п<3,0—3,5, где L — ширина ущелья на уровне гребня плотины.
Рис. 19—1. Арочная плотина Цойцир;
а — разрез по плотике и ущелью; б — профиль плотины; 1 — арочная плотина; 2 — дренажные и смотровые галереи; 3 — шахта, оборудованная лифтом; 4 — паводковый водосброс; 5 — цементационная завеса; ύ — цементационная штольня.
Очертание ущелья и створе плотины при одном и том же отношении п может быть различным; трапецеидальным, прямоугольным, треугольным и т. д. Треугольная форма ущелья является наиболее подходящей для возведения арочной плотины, так как с увеличением давления воды сверху вниз уменьшаются пролеты арок, что позволяет делать сечения арок тонкими, незначительно утолщающимися книзу (рис. 19—2, а). При прямоугольном очертании ущелья размеры пролетов арок по высоте одинаковы, поэтому толщина сечения арок должна увеличиваться книзу по мере возрастания давления воды (рис. 19—2. б). Лучше всего располагать арочную плотину несколько впереди суженной части ущелья, так как в этом случае плечи плотины (пяты арок) будут опираться на сближенные склоны ущелья. Если река течет в заглубленном русле, а склоны долины достаточно пологи, то пойменные участки перекрывают гравитационными плотинами, являющимися упорами для возведенной в русле арочной плотины (рис. 19—2, в), например, плотина на р. Окер (Нижняя Саксония). Средняя часть плотины цилиндрическая, арочная толщиной 8 м; все основании лежат глинистые сланцы. Пяты арки у берегов опираются на примыкающие нормально к ней гравитационные плотины, напорные грани которых вертикальны, а низовые имеют уклон 1:0,68. Гравитационные части плотины отделены от арочной деформационными швами; воспринимая давление воды, они разгружают пяты арок и исключают влияние различных характеристик основания по участкам. В подобных случаях (рис. 19—2, г) во избежание резких изменений горизонтальных сечений арок и появления местных напряжений разделяют часть плотины в углубленном русле периметрическим (контурным) швом, создавая тем самым в нижней части бетонную пробку.
В последнее время арочные плотины возводят для перекрытия относительно широких (на уровне гребня плотины) долин. Если раньше арочные плотины строили при коэффициенте створа п=1,5—3,5, то теперь, например плотина Монфорте (Португалия), строится в долине шириной 450 м (высота плотины 110 м), с п=4. В докладах VII Международного конгресса по большим плотинам (Рим. 1961 г.) приводились примеры проектов арочных плотин с п=101.
Рис. 19—2. Профили арочных плотин в зависимости от формы ущелья.
Ф. Тельке считает, что пригодная для перекрытия ширина долины зависит от допускаемого напряжения бетона. При относительно широкой долине (п≈4) кривая давления в арке отклоняется от круговой, поэтому при выборе тина плотины Ли-дей (L = 635 м; Н = 138 м) рассматривалось плановое очертание плотины по квадратичной параболе.
В СП и II П-И. 1—62 указывается па возможность применения арочных плотин при п до 4—5.
Пересечения арок с горизонталями рельефа местности должно происходить под углом, большим 45 (0,79 рад). Врезка опор арки в берега осуществляется по радиальным плоскостям, ограничивающим центральный расчетный угол арки. Уступам пят арки придают такие очертания: на участках, параллельных оси арки, — концентрических дуг, а на участках, нормальных ей, — радиальных плоскостей (рис. 19—12).
1 Μ. М. Гришин. VII Международный конгресс но большим плотинам. О плотинах, перекрывающих широкие долины. «Гидротехническое строительство» № 5, 1962. 334
