Расчетные схемы сил и нагрузок, действующих на водоподпорные плотины

Лекция 10. Расчетные схемы сил и нагрузок, действующих на Водоподпорные плотины

10.1. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения

Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения классифицируют в зависимости от ряда факторов. По происхождению это: все виды давления внешних сил, собственный вес сооружения, сейсмические силы и т.д.

В зависимости от характера действия силы подразделяют на статические и динамические.

В зависимости от продолжительности и повторяемости действия силы делятся на основные (постоянные, временные и кратковременные) и особые (исключительно редкие, но имеющие значительную величину).

Расчеты прочности и устойчивости ГТС выполняют для двух сочетаний нагрузок и воздействий: основное сочетание, состояние из перечисленных основных нагрузок, и особое сочетание, состоящие из основных и одной из особых сил.

В основном сочетании нагрузок постоянными силами являются (рис. 2.1):

-  собственные вес G сооружения (включая вес плотины, затворов, мостов, механизмов, положение которых в период эксплуатации остается неизменным);

Рис. 10.1 Схема сил и нагрузок, действующих на плотину

-  гидростатическое давление Р_w1 и Р_w2 со стороны верхнего и нижнего бьефа, первое определяется при уровне НПУ, второе - при минимальном уровне нижнего бьефа;

-  полное противодавление Р_w в основании плотины, Р_w=Р_f+Р_n, где Р_f и Р_n - соответственно фильтрационное (при НПУ) и взвешивающее давление.

Временными длительными нагрузками и воздействиями являются: давление наносов Р_а, температурные воздействия (учитываются в больших бетонных плотинах).

К кратковременным нагрузкам и воздействиям относят: давление льда F_i среднемноголетней толщины, давление волн Р_с, соответствующее среднемноголетней скорости ветра. Кроме того, к кратковременным нагрузкам относят нагрузки от движущихся подъемных и транспортных средств, от плавающих тел, динамические нагрузки при пропуска паводка.

Особое сочетание нагрузок и воздействий включает нагрузки основного сочетания плюс одну из особых нагрузок: вертикальное Е_sn и горизонтальное Е_sн сейсмические воздействия на плотину и сейсмическое воздействие Е_w на объем воды в водохранилище, ГСД на обе стороны плотины при форсировании уровня и т.д. В особое сочетание входят такие тяговые усилия приводов, возникающие при заклинивании затвора, кроме того - испытательные и монтажные воздействия.

Как устанавливаются силы и воздействия на плотину?

Собственные вес G подсчитывается с учетом геометрического объема тела, удельного веса бетона  в различных частях этого тела в зависимости от крупности (например, от 40 мм до 120 мм) и плотности (от r=2600 до r=2750 кг/м³) заполнителя. Удельный вес бетона колеблется от 2,37 до 2,5 кн/м³. Вес оборудования подсчитывается дополнительно по паспортным данным или сортаментам). Силы гидростатического давления Р_w1 и Р_w2 определяются по известным формулам гидростатики.

Давление наносов Р_а, отложившихся перед сооружением, подсчитывают по формулам для расчета давления взвешенного грунта на подпорные стенки /1, 4/.

Статическое давление льда возникает при расширении ледяного поля, вызванном повышением его температуры из-за потепления. Сила статического давления льда F_i направлена горизонтально, а точка его приложения находится на уровне воды, при котором образовался ледяной покров. Если давления льда надо избежать, то по периметру перед сооружением поддерживают с помощью специальных средств незамерзающую полынью (майну).

Давление ветровых волн устанавливают в соответствии со СНиП 2.06.04-82 "Нагрузки и воздействия на ГТС (волновые, ледовые и от судов"). Эпюра волнового давления воды имеет вид, близкий к треугольнику, но величина этого давления Р_с заметно меньше гидростатического. Поэтому при расчете водоподпорных сооружений этим воздействием часто пренебрегают. Зато высоту ветровых волн непременно учитывают при расчете высоты плотины.

Сейсмические воздействия на тело плотины Е_sn и Е_sн, а также динамическое воздействие воды Е_w при землетрясении относятся к особым нагрузкам.

В пространстве, окружающем очаг землетрясения, возникают упругие продольные и поперечные волны, распространяющиеся в различные стороны и несущие огромную энергию.

Повреждение зданий и сооружений наблюдается в случае, когда интенсивность землетрясения выше 7 баллов. Поэтому в нашей зоне, где сейсмичность характеризуется 7…9 баллами (шкала MSK-64), строительство ведется в соответствии со СНиП 11-7-81 "Строительство в сейсмических районах".

10.2  Расчет плотин по предельным состояниям

Под предельным понимают такое состояние, когда само сооружение или его основание перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

Это означает, что усилия и напряжения, развивающиеся в сооружении и его основании, не должны превышать их несущей способности (1-я группа предельных состояний), а деформации и перемещения - допустимых для нормальной работы деформаций (2-я группа предельных состояний). В бетонных сооружениях различают также 3-ю группу предельных состояний - полное недопущение трещин в бетоне или такое ограничение их величины, при которой не произойдет нарушение нормальных условий эксплуатации.