Глава 20
Железобетонные контрфорсные плотины
§ 20—1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Контрфорсными называют плотины, в которых давление воды, воспринимаемое перекрытиями, передается вертикальным стенкам — контрфорсам; нагрузка от последних передается на основание. Контрфорсные плотины возводят в разнообразных геологических условиях: на скальном и нескальном основании. Плотины с перекрытиями из плоских плит и напорами до 15—20 м строят на песчаных и суглинистых грунтах. Но мере увеличения напора плотины возрастают требования к качеству основания. Высокие плотины (Н>40-50 м) строят на скальных основаниях.
Рис. 20—1. Схемы глухих контрфорсных плотин: а — с плоскими шторными перекрытиями; б — многоарочная плотина.
Железобетонная контрфорсная плотина на скальном основании состоит из двух основных элементов: напорного перекрытия (плит пли арок) и вертикальных опор-контрфорсов треугольной или трапецеидальной формы. Для большей жесткости контрфорсы связывают друг с другом горизонтальными железобетонными балками. Для уменьшения фильтрации в основании плотины напорную плиту и контрфорсы (по верховой грани) сопрягают зубом с основанием; зуб заглубляют до здоровой скалы, а ниже его подошвы устраивают цементационную завесу. В контрфорсных плотинах на нескальных грунтах для увеличения площади передачи нагрузки от опор на грунт в основании плотины укладывают сплошную фундаментную плиту. Устройство плиты обусловливается также необходимостью развития длины подземного контура фильтрации. обеспечивающего неопасные скорости фильтрационного потока в основании плотины. Фундаментную плиту и контрфорсы большей частью соединяют с верховым зубом плотины.
В зависимости от конструкции перекрытий и контрфорсов плотины разделяют:
по конструкции напорного перекрытия
а) с плоскими плитами (рис. 20—1, а);
б) с арочными перекрытиями — многоарочные плотины (рис. 20—1, б);
в) с выпуклыми перекрытиями — многокупольные плотины (рис. 20— 17);
г) с. массивными перекрытиями — массивно-контрфорсные плотины (рис. 20—19).
по конструкции контрфорсов
а) со сплошными контрфорсами;
б) с полыми контрфорсами;
в) со сквозными контрфорсами.
Построены также отдельные плотины, отличающиеся по своей конструкции от перечисленных в классификации *.
Контрфорсная плотина является одним из экономичных типов плотин, так как потребный для ее возведения объем бетона или железобетона в зависимости от конструкции плотины и ее высоты примерно в 1,5-4 раза менее объема бетона, потребного на строительство гравитационной плотины той же высоты. Но стоимость 1 м3 контрфорсных плотин на 5—10 % дорожебетонной кладки из-за устройства опалубки и осложнения работ. Развитие строительства контрфорсных плотин началось после применения в этих целях железобетона. Контрфорсные плотины с плоскими плитами, работающими на изгиб и требующими армирования, ранее широко применявшиеся во многих странах мира, теперь многими зарубежными гидротехниками считаются менее экономичными по сравнению с арочными и массивно контрфорсными плотинами.
Многоарочные плотины являются предшественниками контрфорсных плотин с плоскими плитами. Первоначально их возводили из бутовой кладки на известковом растворе с вертикально цилиндрическими сводами. Применение железобетона в этих плотинах позволило найти новые формы перекрытий и опор.
Постройка железобетонных плотин целесообразна в районах, трудно доступных в транспортном отношении, в которых местные материалы отсутствуют или имеются в недостаточном количестве. В этих условиях вариант железобетонной плотины, для которой требуется меньше, чем для плотин иных типов транспортных средств для перевозки материалов, может оказаться экономичным и надежным решением. Ускорения срока введения плотины в эксплуатацию и удешевления ее стоимости можно достичь применением сборного железобетона.
Давление воды воспринимается в контрфорсных плотинах топкими плитами или арками. Поэтому применяемый для их строительства материал — железобетон должен обладать большой водонепроницаемостью и морозостойкостью (ГОСТ 4795—59, бетон гидротехнический. Общие требования и СП 55-59). Если напорная сторона плотины подвержена действию агрессивных вод, бетон в ней должен быть стойким против их действия. Расход цемента на 1 м1 составляет 350-400 кг.
Для предупреждения появления фильтрации в напорных частях железобетонных плотин и возможной при этом коррозии арматуры не следует допускать образования трещин в железобетоне. Это главное требование к конструкции плит, арок и напорной части опор достигается подбором соответствующего состава бетона, расчетом сечений на недопущение образования трещин и опасных растягивающих напряжений. С этой же целью в плитах устраивают конструктивные швы. а защитный слой для арматуры увеличивают до 5 cм. Напорные поверхности покрывают гидроизоляционными материалами (торкретом, битумом и т. д.). а поверхность арматуры до бетонирования, во избежание ржавления, обмазывают цементным раствором.
Плотины, расположенные в районах с суровыми зимами, возводят из плотного и морозоустойчивого бетона и защищают от промерзания, устраивая специальное покрытие напорной грани и вертикальные отепляющие стенки из досок или из железобетонных плит между контрфорсами (за напорной плитой). Иногда отгороженное таким способом внутреннее пространство плотины обогревают.
§ 20-2. КОНТРФОРСНЫЕ ПЛОТИНЫ С ПЛОСКИМИ ПЛИТАМИ
Напорные плиты в большинстве контрфорсных плотин конструируют разрезными (очень редко неразрезными) (рис. 20—2). Угол наклона напорной плоскости плотины обычно равен 45. Наличие относительно тонких плит и контрфорсов позволяет нс учитывать противодавление при возведении этих плотиц па скальпом основании. Столб воды, находящийся на наклонной напорной плите, увеличивает давление на основание и тем улучшает устойчивость плотины на сдвиг, поэтому объем материала в таких плотинах значительно меньше, чем в других типах плотин. В плотинах на нескальном основании для распределения давления от контрфорсов на большую площадь грунта приходится устраивать фундаментные плиты (рис. 20—3).
Рис. 20—2. Контрфорсная плотина с плоскими плитами.
Для снижения фильтрационного давления на фундаментную плиту в ней делают дренажные отверстия, защищенные снизу обратными фильтрами. Для увеличения устойчивости плотины на сдвиг фундаментную плиту иногда пригружают грунтом, не препятствующим отводу профильтровавшейся воды, — крупнозернистым песком, гравием или камнем. При необходимости увеличения длины пути фильтрации перед плотиной делают бетонную понурную часть.
1 II. Π. Розанов. Контрфорсные плотины. М., 1949.
Водосливные плотины, кроме перечисленных конструктивных элементов. имеют еще водосливную плиту (рис. 20—3). При нескальном основании плите придают безвакуумное очертание и доводят се до фундаментной плиты, продолжением которой в сторону нижнего бьефа является плита водобоя. Профильтровавшаяся внутрь профиля такой плотины вода отводится через специальные отверстия в водосливной (визовой) плите в нижний бьеф.
В низконапорных водосливных плотинах на прочном скальпом основании водосливную плиту не делают, а у гребня плотины устраивают небольшой козырек для отброса свободно падающей струи от основания плотины. При больших сбросных расходах на гребне водосливных плотин устанавливают затворы.
Напорная плита. Толщина плиты вверху составляет обычно 0,2—0,5 м (большая толщина берется в плотинах, строящихся в районах с сильными морозами); у основания она доходит до 0,6—1,5 м. Толщина плиты зависит от напора плотины, угла наклона напорной грани к горизонту, расстояния между опорами, веса самой плиты и допускаемых напряжений в бетоне и арматуре. Плиты опирают на площадки оголовка контрфорса, имеющие для предупреждения фильтрации один или несколько выступов (рис. 20—3). Ширина опорной площадки составляет (0,5-1,0) с, где с — толщина плиты. Шов между плитой и оголовком заполняют битумом или асфальтом. Рабочие швы, разделяющие по высоте бетонируемые блоки, делают в виде штрабы через 3—5 м и больше по высоте с выпуском арматуры (рис. 20—4, а).
Расстояние между постоянными швами расширения, которые устраивают лишь в высоких плотинах, принимают в пределах 15—25 м. В целях предотвращения фильтрации через эти швы в них укладывают медные пли из синтетического пластика листы и заполняют битумом (рис. 20—4,б). Напорную плиту заканчивают зубом. врезанным в основание плотины.
Для усиления водонепроницаемости напорных плит поверхность их покрывают слоями торкрета и битума. Толщину водосливной плиты обычно назначают конструктивно 0,5—1,0 м, но построены плотины и с более тонкими плитами. Расчет плиты. Плита находится пол действием двух основных сил — давления воды, направленного нормально к плоскости плиты, и собственного веса ее. В некоторых случаях приходится учитывать также давление наносов и льда, действие сейсмических сил. Расчет ведется для плиты шириной 1 м. За расчетный пролет принимают расстояние между центрами тяжести эпюр
Рис. 20—5. Схема к расчету напорной плиты.
В напорной плите по условиям водонепроницаемости и долговечности недопустимо образование трещин, поэтому согласно СП 55-59 сечение плиты
В предложенных способах расчета Шамбо, Н. И. Розанова, Н. С. Мацонелидзе и других определяют критическое значение сосредоточенной сжимающей силы, при которой равновесие контрфорса из устойчивого переходит в неустойчивое. Так, в методе Η. П. Розанова рассматривается элемент контрфорса как вертикальный стержень, жестко заделанный в основание и нагруженный наверху сосредоточенной силой и но оси вертикальными силами, непрерывно возрастающими по Закону трапеции от верха книзу. Действие балок жесткости заменяется для упрощения расчета эквивалентным действием сплошной упругой среды. Предложенные способы расчета контрфорсов основаны на ряде допущений и требуют дальнейших уточнений и экспериментальной проверки.
Фундаментная плита. Расчет плиты ведется как балки на упругом основании. Толщину плиты принимают не меньше толщины контрфорса понизу. Плотины с фундаментной плитой разделяют на секции длиной 15—25 м осадочно-температурными швами, которые устраивают по осям утолщенных (сдвоенных) опор (рис. 20-7. а).
В плотинах с затворами на гребне водослива и на податливых грунтах разрезка водослива швами идет по осям бычков (всех или через один, как на рисунке 20—7, б); при галечниково-гравелистых грунтах бычки отделяют от водослива.
Па рисунках 20—8 и 20—9 изображены конструкция и фотография железобетонной плотины высотой 4,7 м, законченной строительством в 1937 г. на р. Арысь. Особенностью плотины является отсутствие верховой напорной плиты, вследствие чего слой воды верхнего бьефа, находящийся на фундаментной плите, увеличивает вес плотины и тем самым способствует сопротивлению ее сдвигающим силам. Низовая плита является одновременно напорной и водосливной. На рисунке 20—9 видны слева контрфорсы этой плотины, а справа водосливная плита. В основании плотины залегают суглинки.
Недостаток подобной конструкции состоит в том, что контрфорсы работают здесь на растяжение, а низовая водосливная плита, помимо изгиба, стремится оторваться от контрфорсов.
Ряс. 20—9. Железобетонная плотина па р. Лрысь.
