Устойчивость и прочность новых конструкций плотин из укатанного бетона и камня

Актуальность темы

и постановка задачи.

К началу 2001 г. в 32 странах мира было построено 211 плотин из вибро-укатанного бетона (УБ) высотой более 15 м, общим объемом бетона свыше 70.

— у о млн. м, из которых УБ — 47 млн. м, и строятся 34 плотины общим объемом свыше 20 млн. м3, из которых УБ — 15 млн. м3. Ведущими странами в области строительства плотин из УБ являются: Китай, США, Япония, Испания, Бразилия, Колумбия, ЮАР, Австралия и Марокко, на долю которых приходится 87% плотин из УБ.

В странах Южной Америки сейчас наблюдается тенденция перехода со строительства традиционных для этих стран грунтовых плотин с железобетонными экранами на широкое строительство плотин из УБ, как наиболее экономичных и технологичных типов плотин высотой более 50 м.

УБ является новым типом жесткого малоцементного бетона с большими еще не полностью использованными технологическими возможностями и широкими физико-механическими характеристиками от традиционного УБ с высоким (свыше 150 кг/м3) расходом вяжущих (цемент+пуццоланы) до особо.

— 5 жесткого УБ с очень низким расходом вяжущих (до 50 кг/м) и до разнозерни-стой горной массы и камня, упрочненных цементным раствором, что позволяет УБ использовать как в обычных гравитационных плотинах с вертикальной напорной гранью, так и в составных плотинах симметричного профиля из УБ и камня, упрочненного цементным раствором.

В последние годы в нескольких крупных западных проектно-технологичес-ких фирмах ведется интенсивное совершенствование конструкций плотин из УБ, а также разработка новых конструкций плотин из особо жесткого УБ, а также составных (смешанных) конструкций плотин из УБ и камня. Уже построены 3 плотины из особо жесткого УБ высотой до 30 м и две, высотой около 100 м, проектируются.

К сожалению, до сих пор в нашей стране не начато проведение подобных научно-технологических разработок по этому направлению строительства плотин из УБ.

Как показывают наши расчеты, устойчивость и прочность, а также скорость строительства плотины высотой 50−100 м из особо жесткого УБ симметричного профиля с заложением откосов 0,5 на скальном основании существенно выше, а стоимость строительства заметно ниже, чем обычной гравитационной плотины из УБ такой же высоты с вертикальной напорной гранью и заложением низового откоса 0,8. Подобные симметричные плотины высотой до 5060 м с заложением откосов 0,6−0,7 могут строиться на обычных аллювиальных основаниях, где строительство обычных гравитационных плотин затруднено геотехническими условиями грунтов основания.

Ввиду этого тема диссертации, посвященная научному обоснованию этих новых конструкций плотин из УБ и камня, является очень актуальной.

Цель (задачи) диссертационной работы.

1. Разработка новых конструктивно-технологических решений по плотинам из УБ на основе анализа последних достижений в проектировании и строительстве этих плотин, обеспечивающих повышение их надежности и экономичности.

2. Анализ и обобщение обширных данных лабораторных, полевых и натурных испытаний образцов, кернов и опытных блоков из многих плотин из УБ различного состава с определением сдвиговых параметров и качества рабочих швов УБ, необходимых для достоверного научного обоснования новых конструкций плотин из УБ.

3. Разработка модели работы горизонтальных швов УБ различного состава и качества на основе реальных данных их сдвиговых испытаний и включение этой модели в математическую упруго-пластическую модель описания поведения УБ при статических и сейсмических воздействиях.

4. Оценка устойчивости, напряженно-деформированного состояния и прочности новых конструкций плотин из особо жесткого УБ и камня, в том числе камня, упрочненного цементным раствором, при статических и сейсмических воздействиях (в рамках спектральной теории) и сравнение результатов этих расчетов с аналогичными расчетами обычных гравитационных плотин из УБ.

5. Оценка напряженно-деформированного состояния, трещиностойкости и проч-ности высокой (100 м) плотины симметричного профиля из особо жесткого УБ с использованием упруго-пластической модели УБ при сейсмических воздействиях по волновой теории.

6. Разработка общих рекомендаций по проектированию и строительству новых конструкций плотин из особо тощего УБ и камня, упрочненного цементным раствором.

Основные выводы и рекомендации.

1. УБ является новым типом жесткого малоцементного бетона с большими еще не полностью использованными технологическими возможностями и широкими физико-механическими характеристиками от традиционного УБ с высоким (свыше 150 кг/м) расходом вяжущих (цемент+пуццоланы) до особо жесткого УБ с очень низким расходом вяжущих (до 50 кг/м3) и до разнозерни-стого камня, упрочненного цементным раствором. Это позволяет УБ использовать как в обычных плотинах с вертикальной напорной гранью, так и в смешанных плотинах симметричного профиля из УБ и камня, упрочненного цементом.

2. Многочисленные швы, образующиеся при послойной укатке УБ, являются наиболее слабым местом плотин из УБ. Обработка этих швов путем укладки на них тонкого слоя цементного раствора не обеспечивает равнопрочность швов и УБ, т. е. монолитность плотины, и существенно замедляет высокие темпы их строительства. Поэтому экономически обоснован переход на новые более технологичные конструкции плотин из особо тощего УБ с отказам от обязательной обработки всех швов .

3. По сравнению с укатанным камнем особо тощий УБ (с расходом цемента до 50 кг/м3, золы-уноса до 25 кг/м3) и камень, упрочненный цементным раствором, обладают очень высоким сцеплением (соответственно, 0,5−1,0 и 0,10,5 МПа) при одном угле внутреннего трения (около 45°), а также высоким сопротивлением размыву при пропуске поверх строящейся плотины строительных паводков. Эти несомненные преимущества особо тощего УБ и упрочненного камня в полной мере могут реализованы только в плотинах симметричного зонированного профиля с крутыми откосами (заложение 0,5), с экраном из двухслойной пленки типа CARPI, что позволяет отказаться от тру. доемкой обработки швов УБ.

4. Сейсмостойкость плотины симметричного профиля высотой 30−100 м из особо тощего УБ с заложением откосов 0,5 на скальном основании существенно выше, чем гравитационной плотины из обычного УБ такой же высоты с вертикальной напорной гранью и заложением низового откоса 0,8. Простота и технологичность конструкции плотины, возможность отказа от трудоемкой обработки швов УБ обеспечивают более высокие ее технико-экономические показатели. Подобные плотины высотой до 50−60 м с заложением откосов 0,7 могут строиться и на обычных аллювиальных основаниях, где строительство обычных гравитационных плотин сильно усложнено.

5. В качестве математической модели УБ целесообразно использовать вариант упруго-пластической упрочняющейся модели обычного бетона, используемой в ЦСГНЭ — филиале Гидропроекта в сейсмических расчетах бетонных плотин, в которой приняты сдвиговые и деформативные параметры швов УБ.

6. Проведенные с применением этой модели УБ расчеты сейсмостойкости симметричной плотины высотой 100 м с заложением обеих откосов 0,5 из особо жесткого УБ на воздействие землетрясения с пиковым ускорением 0,2 и 0,4g показали, что в первом случае плотина работает упруго и вполне надежно, а во втором, в ней возникают небольшие остаточные деформации вблизи гребня и на обеих откосах плотины появляются трещины, что однако не приводит к разрушению плотины. Учитывая наличие водонепроницаемого экрана из пленки типа CARPI на верховом откосе плотины, предотвращающей проникновение воды в раскрывшиеся швы УБ, сейсмостойкость плотины можно считать обеспеченной.

7. Для увеличения сдвиговых параметров швов УБ и уменьшения трещино-образования в плотине высотой 100 м с заложением обеих откосов 0,5 при 9-бальном землетрясении целесообразно обработать цементным раствором все холодные швы в УБ в верховой половине профиля, что повысит примерно вдвое сцепление в швах УБ.