Арочные плотины почти всегда строят глухими и редко водосливными; их осевая линия имеет обычно в плане форму дуги круга.
При такой осевой дуге линия давления от гидростатической нагрузки близко подходит к осевой линии арки, что указывает на незначительные изгибающие моменты. Эти плотины можно разделить на плотины: а) с постоянным и б) с переменны м радиусом.
В конце XIX и реже в первой половине XX века плотины строились с постоянным радиусом. При таком очертании плотины напорная грань ее получается вертикальной, а низовая — наклонной. В плане плотина очерчивается концентрическими дугами с постоянным (или почти постоянным) по высоте радиусом с напорной стороны и переменным, уменьшающимся для более низких поясов арки радиусом с низовой стороны. Такой тип арки более применим мри прямоугольной форме сечения ущелья.
К этому типу арочных плотин относится плотина Гибсон высотой 60 м, построенная в 1928 г. (рис. 19—3). Ширина ее профиля в основании равна 26,5 м, а по оси донного водоспуска — 20,68 м. В настоящее время распространен тип арочной плотины с переменными радиусами очерчивания напорной и визовой граней плотины.
Как показывают теоретические подсчеты, площадь горизонтального сечения арки и объем материала получаются минимальными, если центральный угол 2а - 150—180 (2,11—3,14 рад). Этот угол образуется дуговыми радиусами, проведенными через точки пересечения напорной грани арки со скалой, и характеризует зону передачи гидростатического давления воды на арку (рис. 19 — 12).
Плотины с переменным радиусом часто называют также плотинами с постоянным центральным углом, так как минимальное сечение профиля, вписываемого в план ущелья, получается при наиболее выгодном центральном углу 2а. На практике бывает трудно выдержать неизменным угол 2а вследствие того, что при постоянстве этого угла профиль плотины получается искривленным и даже с нависающей верхней частью арки. Так, например, в плотине Мареж (Франция) средняя но высоте часть нависает до 9 м над водохранилищем и поддерживается специальными контрфорсами. Такой профиль технически трудно выполним, и поэтому для нижних поясов арки уменьшают величину центрального угла. Для увеличения несущей способности арочной плотины необходимо но возможности придавать горизонтальным аркам небольшие радиусы кривизны, уменьшающиеся с глубиной. Уменьшение радиуса кривизны арок позволяет сохранить постоянный или приближающийся к нему центральный угол арок. Изменение радиуса кривизны горизонтальных арок принимают по линейному закону, соответствующему изменению ширины ущелья но глубине, чему лучше всего отвечают ущелья треугольной формы. В построенных плотинах угол 2а колеблется от 110 до 140 (1,92—2,44 рад) в верхних поясах арки и в пределах 70—90 (1,22—1,57 рад) — в нижних. Величина радиуса также уменьшается от верха профиля к его низу.
В плотине с переменным радиусом напорная и низовая грани получаются ломаными. Напорная гран», в сечении, проведенном через ключ свода, выпуклая. Этот тип плотины наиболее часто применяется при треугольном и реже трапецеидальном очертании ущелья. Одна из наиболее высоких в мире арочная плотина Мовуазен (Швейцария) высотой 237 м сконструирована также по этому принципу (рис. 19—4). Ширина плотины но гребню — 14 м, в основании — 55 м. Длина по гребню 520 м.
А. Стукки рекомендует для предварительного назначения толщины профиля плотины понизу следующую таблицу 1.
По известному отношению ширины ущелья (или длины хорды арки) на уровне гребня плотины к высоте плотины Н по этой таблице можно определить ширину плотины в основании Н.
1 А. Стукки. Арочные плотины. Госстройиздат, М., 1934.
Рис. 19—3. Арочная плотина с постоянным радиусом.
Ширину гребля арочных плотин, если по нему не проходит проезжая дорога, делают ранной 1,5—4 м. Оголовок водосливных арочных плотин очерчивается по кривым, исходя из гидравлических условий (наибольший коэффициент расхода, отрыв струи от низовой грани и длина отлета струн).
а — план; б — профиль; 1 — смотровые галереи; 2 — дренажная галерея; 3 — цементационная завеса; 4 — отвал.
Рис. 19—4. Плотина с переменным радиусом:
На рисунке 19-5 изображен профиль арочной плотины Айт-Уарда в Марокко высотой 45 Толщина плотины постоянная по высоте — 5 м.
Радиус верховой грани 65 м. В плотине устроены пять водосливных отверстий, порог которых заложен на 7 м ниже НПУ; отверстия перекрыты сегментными затворами. Плотина имеет также донные отверстия сечением 4x4 м. Все водосбросные отверстия пропускают 2500 м/сек.
Ряс. 19—5. Профиль плотины и Марокко.
Рис. 19—6. Широкий шов арочной плотины.
Для уменьшения фильтрации через тело плотины напорную грань ее покрывают торкретом или окрашивают битумом.
Построенные в последнее время железобетонные арочные плотины имеют незначительную толщину. Например, в одной норвежской плотине высотой 17,3 м ширина профиля плотины в основании В равна 0,08 Н (1, 3 м), в другой В — 0,15 Н.
В тонких арочных плотинах противодавление не учитывается, поэтому многие инженеры считают, что в таких плотинах дренаж не только не нужен, но и вреден, так как он, отводя профильтровавшуюся в тело плотины воду, тем самым препятствует набуханию бетона, частично компенсирующему деформации, вызываемые усадкой бетона и температурными колебаниями. Наличие дренажных пустот в арке ведет к ослаблению ее сечения. В арочногравитационных плотинах устройство дренажа возможно; конструкция его не отличается от дренажа гравитационных плотин.
Усадочно-температурные швы в арочных плотинах делают широкими и узкими. Широкие швы (ширина их 0,8—1,5 м) заполняют при заделке бетоном (рис. 19—6), а затем уплотняют цементацией. На рисунке 19—7 изображен зубчатый шов (шириной 1,5 м) плотины Россан. Эти швы после бетонирования были уплотнены цементацией с помощью вертикальных инъекционных труб с горизонтальными штуцерами. На каждой поверхности зуба в горизонтальном и вертикальном направлениях устроены желобки, защищенные от проникновения в них бетона пластинками из листовой стали.
Узкие швы также уплотняют цементацией; конструкция этих швов та же, что и в гравитационных плотинах (гл. 17). Расстояние между швами 10 — 15 м.
Арочные плотины по мере роста недопотребления можно наращивать для образования больших водохранилищ. Так, плотина Росс (США) с постоянным центральным углом, начатая строительством в 1919 г., была позднее дважды надстроена, и ее высота доведена до 164 м. Предполагается третья надстройка до высоты 205 м2.
В некоторых плотинах, построенных в последнее время, устроен во всему периметру плотины непрерывный контурный (периметрический) шов: ниже этого шва расположена бетонная дуговая (седлообразная) подушка, осуществляющая связь плотины со скалой. Назначение подушки — создавать плавность контура опирания, передавать сжимающие напряжения на большую площадь скалы и образовать статически целесообразную симметричность всей арочной плотины (рис. 19—10). Преимущества устройства контурного шва, обеспечивающего свободное опирание плотины на подушку, состоят в следующем:
а) влияние температурных напряжений уменьшается, так как плотина может вращаться около оси шва опирания;
б) свободное опирание исключает образование опорных моментов и, следовательно, растягивающих напряжений на верховой грани вблизи заделки арок в берега и консолей в основание;
в) исключается появление опасных трещин на напорной грани плотины:
г) создается ясность в способе опирания плотины;
д) обеспечивается возможность более рационального бетонирования плотины, поскольку бетонная подушка может быть выведена до бетонирования блоков арок.
Φ. Телько. Водохранилищные плотины. Госстройиздат, М., 1957.
Там же.
Вариантами арочного типа плотин являются:
а) комбинированная плотина, состоящая из нижней арочной части, на которой возводится гравитационная часть;
б) арочная или купольная плотина, предварительно обжатая и заделанная в основание с помощью анкеров:
в) арочная плотина с контрфорсами;
г) купольная плотина.
Примером комбинированном плотины является вышеупомянутая плотина на р. Окер. законченная строительством в 1956 г. Ее наибольшая высота над подошвой 72 из которых нижняя часть высотой 59 м представляет арочную плотину толщиной 8 м. Выше продолжается гравитационная часть высотой 13 м (рис. 19—8). Эта часть создаст предварительное обжатие арочной части, положительно влияя па напряженное состояние конструкции.
Примером плотины, предварительно обжатой и заделанной в основание с помощью анкерных тросов, является плотина Цойцир на р. Льен высотой 160 м и шириной понизу 26 м (рис. 19—1).
Арочными плотинами с контрфорсами называют плотины, имеющие в отлично от железобетонных контрфорсных плотин контрфорсы только в нижней по высоте половине плотины. Появление этой разновидности вызвано желанием ограничить работу арки верхней частью плотины, являющейся достаточно эластичной для этого. Для обеспечения постепенного перехода от работы арки к работе подпорной стенки устраивают упор, выполняемый в виде массива пли контрфорса. Благодаря этому упору расширяется область применения арочных плотин за пределы указанных выше соотношений длины долины и высоты плотины. Чем больше отношение L : Н, тем более мощными должны быть контрфорсы. Примером арочной плотины с контрфорсами является плотина Монфорте в Португалии (рис. 19—9). Высота контрфорсов равна примерно половине высоты плотины. Наибольшая толщина арки в верхней части 8 м а у подошвы 5 ширина гребня 6 м. Средний радиус свода 230 м. Благодаря приданию верхней части плотины купольной формы удалось уменьшить при наполненном водохранилище максимальные напряжения на изгиб в низовой грани до 10 кгс/см2 (100 н/см2). Для восприятия этих растягивающих напряжений уложена арматура в вертикальных ребрах шириной 0,7 м. отстоящих одно от другого на расстоянии 7,5 м. Эти ребра служат в верхней части плотины разделяющими стенками сифонных водосбросов. На поперечном сечении плотины нанесены границы ядра сечения и кривые давления при пустом и наполненном водохранилище. Особенность конструкции этой плотины состоит в вертикальном сквозном шве между сводом и контрфорсами, что позволяет возводить свод независимо от контрфорсов.
Стремление к полному использованию бетона на сжатие не только в одной, но и в нескольких плоскостях привело к строительству купольных плотин, т. е. арочных с двояковыпуклым (купольным) перекрытием, наклоненным в сторону нижнего бьефа.
Появлению купольных плотин способствовало также усовершенствование способов расчета, в частности применение теории оболочек. Толщина стен понизу составляет 0,08—0,09 высоты плотины. Недостаток купольных плотни — чувствительность к неравномерным осадкам отдельных частей сооружения, сложность форм опалубки и арматуры, а также трудность производства работ.
Купольные плотины построены в долинах треугольного поперечного сечения, а также в приближающихся к нему по форме ущельях с крутыми склонами. Купольные плотины так же, как и арочные, возводят отдельными секциями на часть высоты с опережением центральных частей.
Примером купольной плотины может служить самая высокая в мире плотина Вайонт (Италия). Ее максимальная высота 266 м. Длина по гребню с учетом врезки в берега 190,5 м. Максимальная толщина в основании 23,2 м (рис. 19 — 10). Коэффициент стройности 0,09.
На уровне примерно нижней трети высоты плотины устроен сплошной периметрический (контурный) шов, благодаря которому в месте заделки купола отсутствуют растягивающие напряжения.
Купольные плотины строят не только глухими, но и водосливными. Пропускная способность водосливной части плотины Вайонт 140 м3/сек. В этом отношении интересна также французская плотина Куэек, построенная в 1950 г., высотой 65 м и шириной в основании 10 м, т. е. В = 0,154Н (рис. 19—11). На гребке плотины поставлены зубцы для разделения потока с целью аэрирования. Расчетный расход в 270 м3/сек переливается через гребень плотины при напоре на нем 4,5 м.
