Класифікація діючих сил і навантажень

Поєднання діючих сил та навантажень

За характером дії сили та навантаження

1 - статичні;

2 - динамічні.

За походженням і фізичній природі

1 - власна вага споруди з обладнанням, що знахо-диться на ній;

2 - тиск води при НПР – статичний, динамічний, хвильовий, фільтраційний, зважуючий;

3 - гірничий тиск основи і берегів, а також наносів, що відкладаються у верхньому б’єфі біля споруди;

4 - льодові навантаження і дії – статичні (при розширенні льодового покриву) і динамічні (при ударі крижин в період льодоходу);

5 - тиск вітру;

6 - тиск снігу;

7 - тягові зусилля що створюються підйомними, вантажними і транспортними механізмами;

8 - навантаження від суден;

9 - сили, що виникають в результаті об’ємних деформацій матеріалу споруди при зміні температури, усадки і розбухання бетону, зміни вологості матеріалу;

10 - сейсмічні сили, що виникають при землетрусах.

- основні, що вказані в пунктах 1-8;

- особливі, що вказані

в пунктах 1-10, при цьому:

1 - замість рівня води НПР приймають рівень ФПР;

2 - враховується можливій вихід з ладу дренажного обладнання;

3 - враховується вітер катастрофічної сили.

Поєднання діючих сил і навантажень встановлюють з урахуванням практичної можливості їх одночасної дії на споруду, але приймають найбільш невигідні комбінації з урахуванням класу капітальності споруди згідно нормативних документів.

За тривалістю і повторністю

1 - основні, що постійно діють в умовах нормальної роботи споруди;

2 - випадкові, що діють короткочасно;

3 - особливі, що діють вкрай рідко.

Принципи розрахунку напруженого стану і деформації споруд та основ

Розрахунок міцності та допустимої деформативності споруд ведеться за допомогою методу граничного стану

Перший граничний стан споруди настає, коли розрахункове узагальнене навантаження  досягає розрахункового значення узага-льненої несучої спроможності споруди

,     (1)

де  - коефіцієнт поєднання навантажень;  - коефіцієнт умов роботи споруди;  - коефіцієнт надійності: І клас – 1,25; ІІ клас – 1,20; ІІІ клас – 1,15; ІV клас – 1,10.

Другий граничний стан споруди настає коли розрахункові значення деформацій зсуву  осадки і нахилу досягають граничних значень

; ;     (2)

Третій граничний стан для бетону настає коли розмір тріщин досягає граничного значення.

- сила власної ваги;

- інерційна сила маси споруди, що виникає при сейсмічних коливаннях ґрунту основи;

- сила горизонтального тиску води у ВБ при НПР;

- сила горизонтального тиску води у НБ при РНБ;

- сила вертикального тиску води у ВБ при НПР;

- сила вертикального тиску води у НБ при РНБ;

- сила зважуючого тиску води (при наявності РНБ);

- сила фільтраційного тиску води (при наявності напору );

- сила тиску наносів у ВБ

- льодові навантаження (статичні і динамічні);

- сила хвильового тиску;

- інерційна сила маси води ВБ, що виникає при сейсмічних коливаннях ґрунту основи.

         (3)          (4)

  (5)       (6)

- густина бетону;

- густина води;

- закладення напірної грані;

- коефіцієнт зменшення тиску за рахунок опору руху води в порах і тріщинах основи;

- коефіцієнт опору проти зсуву по основі

Враховуючи значну протяжність гребель у порівнянні з розмірами поперечного профілю, при статичних розрахунках розглядається плоска задача.

Вертикальні напруження по горизонтальних перетинах (ділянках) у відповідністю з гіпотезою лінійного розподілу напружень, визначають за формулою позацентрового стиснення:

   (7)       (8)

де  і  нормальні напруження по горизонтальних ділянках відповідно біля верхової і низової граней, МПа;  - ширина розрахункового перерізу, м;  - сума вертикальних сил, що діють вище цього перетину;  - сума моментів всіх сил, що діють вище розрахункового перетину відносно центру ваги цього перетину.

При цьому нормальна сила , спрямована до низу рахується додатною, а спрямована до верху – від’ємною. Згинаючий момент , спрямований за годинниковою стрілкою, вважається додатнім, а спрямований проти годинникової стрілки – від’ємним. Розтяжні напруження  рахуються додатними, а стискаючі – від’ємними.

1.  Умова:  для випадку  отримаємо мінімальну ширину греблі низом :

    (9)

При ,  - ; при ,

2. Умова стійкості греблі проти зсуву виражається рівнянням

;                      (10)

Для випадку ,  отримаємо мінімальну ширину греблі низом

   (11)

При ,  - ; при  -

Глуха гребля середньої висоти на міцній скельній основі

Водозливна висока гребля на міцній скельній основі

Водозливна гребля середньої висоти на слабкій скельній основі

Глуха гребля на відміну від теоретичного трикутного профілю з гострим кутом при вершині, аповинна мати гребінь певної ширини, щоб:

- збезпечити проїзд транспорту, при влаштуванні дороги;

- врахувати тиск льоду

Водозливна гребля повинна мати плавно окреслений гребінь і низову грань.

В тілі греблі влаштовуються оглядові галереї і порожнини, які покращують розподіл напружень в основі і знижують протифільтраційний тиск

Ширина основи греблі на слабкій (скельній) основі зростає і перевищує необхідну за умовою міцності бетону . Профіль греблі набуває розпластаної форми за рахунок влаштування у верхньому бєфі фундаментної плити або нахиленої напірної гранні.

1 – верхова грань; 2 – гребінь (дорога); 3 – низова грань; 4 – оглядова галерея; 5 – дренаж основи; 6 – протифільтраційна завіса; 7 – верхова грань при врахуванні тиску наносів; 8 – дренаж бетону греблі; 9 – сегментний затвор; 10 – водозливна грань; 11 – носок-трамплін; 12 – донна галерея; 13 – затвор донної галереї зі сторони ВБ; 14 – затвор донної галереї зі сторони НБ; 15 – розширений шов; 16 – плоский затвор; 17 – теоретичний профіль греблі; 18 – гасник, створює поверхневий режим потоку; 19 – водобій; 20 – фундаментна плита

Теребле-Ріцька ГЕС

Київська ГЕС

Перетини призначаються рівномірно по висоті. Як правило приймають не менше 5 розрахункових перетинів.

Додатково перетини призначаються в місцях:

- різкої зміни профілю греблі;

- місцях прикладання зосереджених сил (тиск льоду);

- місцях значних отворів або порожнин (оглядові галереї)

Нормальні напруження по горизонтальних перетинах у відповідністю з гіпотезою лінійного розподілу напружень, визначають за формулою (8) позацентрового стиснення:

,             

де  і  нормальні напруження по горизонтальних ділянках відповідно біля верхової і низової граней, МПа;  - ширина розрахункового перерізу, м; сила , спрямована до низу, рахується додатною, а спрямована до верху – від’ємною; Згинаючий момент , спрямований за годинниковою стрілкою, вважається додатнім, а спрямований проти годинникової стрілки – від’ємним

Схема до розрахунку нормальних і дотичних  напружень

Якщо рівень води у верхньому б’єфі відсутній то рівняння для визначення напружень наступні:

, .

Якщо рівень води у верхньому б’єфі є, а верхова грань вертикальна, то рівняння для визначення напружень наступні:

, .

Із умови рівноваги елементарного трикутника низової грані маємо:

Сума діючих сил на вісь У:

                      (11)

Сума діючих сил на вісь Х:

            (12)

Якщо рівень води у нижньому б’єфі відсутній то рівняння для визначення напружень наступні:

,   

Із умови рівноваги елементарного трикутника верхової грані маємо:

Сума діючих сил на вісь У:

;

.                               (9)

Сума діючих сил на вісь Х:

.                            (10)

Схема до розрахунку головних напружень і  

Головні напруження  на площадках, перпендикулярних до осі греблі, можна визначити з розгляду умов плоскої деформації у відповідності із законом Гука:

де  - деформація у напрямку поздовжньої осі греблі;  і  - відповідно модуль пружності і коефіцієнт Пуассона бетону.

З цього виразу можна знайти

або, враховуючи значення відомих напружень  і  отримаємо:

          (15)

У випадку, якщо напірна грань греблі вертикальна, то маємо:

.                                         (13´)

.                              (15´)

Аналогічно отримані вирази для визначення головних напружень на низовій грані:

                                  (16)

                  (17)

          (18)

При оцінці міцності гравітаційних гребель використовують головні напруження, що діють на головних площадках.

Із умови рівноваги елементарного трикутника верхової грані маємо:

Сума діючих сил на вісь У:

                               (13)

На напірній грані діє головне напруження:

                                              (14)

Умови міцності бетонних гравітаційних гребель

У відповідності з діючими нормами проектування при розрахунках масивних бетонних гравітаційних гребель елементарним методом для всіх сполучень навантажень в стиснутих зонах повинна виконуватись умова міцності бетону на стиск:

- у всіх точках греблі:

,                                   (19)

- в точках напірної грані:

                                          (20)

де  - коефіцієнт поєднання навантажень;

- коефіцієнт умов роботи греблі;

- коефіцієнт надійності, який приймається для споруд І класу капітальності 1,25; ІІ класу – 1,20; ІІІ класу – 1,15; ІV класу – 1,10;

- розрахунковий опір бетону на стиск, МПа

                  (17)

        (17´)

Спосіб зменшення головних нормальних напружень на низовій грані греблі

Види порушення рівноваги споруд:

Всі діючі на гравітаційні греблі сили можна звести до трьох рівнодіючих:

- горизонтальна діє з боку верхнього б’єфу – Т;

- вертикальна сила діє вниз – V;

- вертикальна сила діє вверх – P.

Під дією цих сил можливі такі види порушення рівноваги споруди:

- зсув по основі силою Т;

- перекидання відносно точки Оc;

- спливання під дією сили P.

а) плоский зсув при горизонтальній підошві греблі незаглибленої в основу, який має місце в випадку однорідної і достатньо міцної породи основи

, - коефіцієнти, які характеризують тертя та зчеплення бетону греблі з скельною основою;

- площа поверхні зсуву

                  (21)

б) плоский зсув при похилій підошві греблі, яку влаштовують похилою у випадку, коли при горизонтальній підошві стійкість греблі не забезпечується

  (22)

в) зсув при ломаній (зубчатій) підошві греблі, який влаштовується у випадку, коли при горизонтальній підошві стійкість греблі не забезпечується

Розрахунок ведеться для кожної ділянки окремо.

г) зсув при наявності зуба зі сторони верхової грані, який влаштовується у випадку, коли при горизонтальній підошві стійкість греблі не забезпечується

Розрахунок стійкості виконується по площині (a-b-c)

1. Класифікація бетонних гравітаційних гребель

За висотою:

Низькі – до 60 м.

Середні – від 60 до 100 м.

Високі – більше 100 м.

За технологічним призначенням:

Глухі, які не скидають через себе воду під час паводку чи повені.

Водозливні, які при необхідності скидають через себе воду.

2. Основи гравітаційних гребель

1 – протифільтраційна завіса; 2 – зв’язуюча цементація;

3 – укріплювальна цементація; 4 – дренаж основи

До скельних порід відносяться гірські породи з міцністю більше 50 МПа

Вивержені: граніти, сієніти,базальти діабази;

Осадові: міцні вапняки, доломіти, піщаники кременисті;

Метаморфічні: кристалічні сланці, гнейси, кварцити.

Підготовка основи гребель полягає у розробці котловану до проектних відміток підошви греблі і очистці поверхні скельного ґрунту

Покращення основи полягає в забезпечені зв’язку підошви бетонної греблі з породами основи. Це цементація тріщин та бетонування слабких ділянок.

Шви гребель та їх ущільнення

Шви в тілі греблі ділять на конструктивні (постійні) і будівельні (тимчасові).

Конструктивні шви розділяють греблю по її довжині на окремі секції. Конструктивні шви, які призначені для попередження утворення тріщин в тілі греблі внаслідок температурно-вологісних явищ називають температурними, а ті шви що попередження утворення тріщин в тілі греблі внаслідок її осадки - осадочними. На практиці температурні і осадочні шви по можливості об’єднують в так звані температурно-осадочні. Відстань між температурними швами (довжина секції греблі) може змінюватись від 7 до 22 м. Вона залежить від кліматичних умов району будівництва, а осадочних від характеру основи. При цьому також враховується розміри ГЕС, водопропускних отворів та схеми бетонування.

Конструкція шва

Ширина постійних конструктивних швів приймається рівною 0,5…1,0 см на проміжках довжиною 5 м від зовнішніх граней греблі і 0,1…0,3 мм в середині греблі. Шов по своїй довжині має основне і контурне ущільнення.

Контурне ущільнення зі сторони ВБ (1) призначене для захисту шва від засмічення, а також для забезпечення водонепроникності шва у випадку виходу із ладу основного ущільнення. Таке ущільнення виконують у вигляді дерев’яного, залізобетонного, бетонного бруса, гуми.

Будівельні шви влаштовують з  метою кращого охолодження бетонної кладки в процесі будівництва греблі і зручного виконання робіт, вся кладка гравітаційної греблі розділяється системою будівельних швів на блоки бетонування, які називаються будівельними блоками.

Розрізняють такі типи розрізок:

а) секційна, або довгими горизонтальними блоками – Токтогульська гребля;

б) в перев’язку – Дніпровська гребля;

в) стовпчаста розрізка Братська гребля;

г) комбінована (змішана) розрізка Красноярська гребля

Конструкція глухої гравітаційної греблі

Гребінь глухої греблі (1)

Гребінь глухої греблі – це її верхня частина, яка запобігає переливу води через споруду. Одночасно він може використовуватись для влаштування автомобільної, залізничної доріг, влаштування сховищ затворів водозливної бетонної греблі, що межує з нею, та колії козлового крану для їх переміщення та складування. Його ширина приймається виходячи із умов експлуатації, але не менше 2 м.

Відмітка гребеня греблі визначається з трьох умов:

,                                  (1)

,                                    (2)

,                                               (3)

де - ,  підняття вершини вітрової хвилі 1%-ї забезпеченості відповідно при максимальній і середній швидкості вітру, яка підходить до споруди, над розрахунковим рівнем води, м;  - підняття вершини сейсмічної хвилі, яка підходить до споруди, над , м;  і  - висота вітрового нагону відповідно при максимальній і середній швидкості вітру, м;  - запас, який приймається в залежності від класу споруди (І кл. - 0,8 м, ІІ кл. – 0,6 м, ІІІ і ІV кл. -0,4 м).

1 – гребінь греблі; 2 – дренаж тіла греблі; 3 – поздовжні оглядові галереї; 4 – зв’язуючи цементація; 5 – укріплювальна цементація; 6 – протифільтраційна завіса; 7 - дренаж основи;  - закладення верхової грані;  - закладення низової грані; 8 – поперечні оглядові галереї; 9 – захисний екран.

Дренаж тіла греблі (2)

Дренаж тіла греблі влаштовується для перехвату фільтраційної води, яка фільтрує через напірну грань греблі, зниження протифільтраційного тиску і запобігання шкідливої фізико-хімічної і механічної дії води в тілі греблі. Відстань від верхньої грані становить 1/10 висоти греблі але не менше 2 м. Діаметр дрен 20…30 см, інколи це дренажні шахти діаметром 70…80 см. Відстань між дренами 2…4 м. Вода з дрен збирається у поздовжні оглядові галереї. З поздовжніх оглядових галерей вода по поперечних оглядових галереях виводиться в нижній б’єф.

Поздовжні (3) і поперечні (8) оглядові галереї

1 – дренаж тіла греблі; 2 – збірний кювет; 3 – дно галереї

Оглядові галереї служать для огляду внутрішніх частин бетонної греблі, для спостереження за ходом фільтрації, появою тріщин, для розміщення вимірювальної апаратури, а також для службового сполучення. Мінімальна ширина оглядових галерей – 1,25…2,00м, при необхідності проїзду – 2,5…3,00 м і більше, висота – 3,00 м і більше.

Протифільтраційна завіса (6)

Влаштовують під підошвою греблі в руслі і на схилах долини. Це ряд свердловин, в які нагнітається цементний розчин, що заповнює тріщини і після тверднення цементу утворює перешкоду для фільтраційного потоку. Глибина завіси складає від 0,5 до 0,8 напору на греблю. Свердловинні завіси роблять вертикальними або нахиленими в сторону верхнього б’єфу. Діаметр свердловин 45…76 мм. Для заповнення значних тріщин і порожнин застосовують цементно-глинистий розчин. При наявності агресивних вод в свердловини нагнітається бітум.

Дренаж основи (7)

Дренаж в основі греблі влаштовують для зменшення фільтраційного протитиску. Це ряд свердловин, галерей (штолень) або порожнин, заповнених крупнозернистим матеріалом, в підошві греблі, з’єднаних з нижнім б’єфом вивідним устроєм у вигляді труби. Дренажні свердловини, діаметром не менше 20..25 см, розташовуються на відстані 2…5 м одна від одної і не ближче, ніж 4 м від протифільтраційної завіси. Глибина свердловин складає 0,5…0,7 глибини протифільтраційної завіси.

Захисний екран при значній агресивній воді (9)

а) торкрет по металевій сітці;

б) – залізобетонні плити;

1 – ґрунтовка;

2 - підготовка основи із асфальтової мастики;

3 – торкрет;

4 – залізобетонні плити товщиною 8 см;

5 – захисна шайба діаметром 80 мм;

6 – анкерний болт

Конструкція водозливної гравітаційної греблі

Форми водозливних оголовків практичного профілю

а) – без вакуумного; б) – вакуумного, окресленого по кругу;

в) – вакуумного, окресленого по еліпсу

Форма оголовків водозливу визначає його коефіцієнт витрати, режиму тиску струмини на водозливну поверхню і характер течії води. Оголовки середніх і високих гребель , як правило, виконують практичного (вакуумного або безвакуумного) профілю, а в низьких греблях – у вигляді водозливу з широким порогом.

Безвакуумний оголовок будують за координатами Кригера-Офіцерова.

Вакуумні оголовки бувають кругового (Н/r<3) або еліптичного обрису з співвідношенням осей 2/3. Коефіцієнт витрати вакуумних оголовків становить 0,54…0,57. За рахунок збільшення коефіцієнту витрати зменшується напір на греблю і відповідно висота затвору.

1 – водозливний оголовок; 2 – сегментний затвор; 3 – роздільний бик; 4 – верхова грань; 5 – дренаж тіла греблі; 6 – поздовжні оглядові галереї; 7 – поперечні оглядові галереї; 8 – глибинний водоспуск; 9 – решітка глибинного водоспуску; 10 – затвор глибинного водоспуску зі сторони ВБ; 11 – протифільтраційна завіса; 12 - затвор глибинного водоспуску зі сторони НБ; 13 – носок-трамплін; 14 –водозливна грань; 15 - дорога

Бикі водозливної греблі

Служать для закріплення опорних затворів, опирання прогонних будівель мостів і підкранових шляхів

1 – паз для ремонтного (аварійного) затвора; 2 – паз для основного ( робочого) затвора 3

Спряження водозливної грані греблі з дном нижнього б’єфа

Плавне спряження

у вигляді криволінійної вставки

Спряження у формі

носка- уступу

Спряження у формі

носка- трампліна

При такому спряженні в нижньому б’єфі виникає донний режим в формі затопленого гідравлічного стрибка.

Виконується в низько- і середньо-напірних греблях, а також при слабких основах. Величина радіуса криволінійної вставки визначається за формулою

,

де  - напір над порогом водозливу;

     - висота греблі.

Довжина водобою становить

,

де  і  відповідно перша і друга спряжені глибини гідравлічного стрибка

При такому спряженні (при ) і  в нижньому б’єфі встановлюється поверхневий режим. При цьому режимі лід, що скидається через греблю, не вдаряється в дно нижнього б’єфа, а рухається по поверхні води.

Виконується лише при пропуску через греблю льоду, в інших випадках вона менш економічна.

- висота носка-уступа;

- глибина води в нижньому б’єфі в період льодоходу.

При такому спряженні відбувається відкидання струмини з носка-трамліна на проектну відстань .

Виконується коли глибина нижнього б’єфа значно менша другої спряженої глибини  гідравлічного стрибка і споруда розташована на основі, яка характеризується значною стійкістю розмиву. Висота носка-трампліна приймається більшою за глибину води в НБ - , кут нахилу носка-уступа до горизонту становить .

Зонування бетону в тілі греблі

Кріплення водозливної грані

Глуха гравітаційна гребля

Водозлвна гравітаційна гребля

Чавунними плитами 1

(металеві анкери не показані)

Старими рейками 2

Бутовим камінням

1 – бутовий камінь;

2 – металевий анкер;

3 – бетон; 4 - залізобетон

Бетон в кожній із зон профілю греблі зазнає різних напружень і піддається неоднаковій за характером фізико-хімічній дії. Тому укладання бетону диференціюється по зонах («зональний» бетон):

І – зовнішні частини гребель та їх елементів, що знаходяться під дією атмосфери але не омиваються водою;

ІІ – зовнішні частини гребель в межах коливання рівнів води у межах верхнього і нижнього б’єфів;

ІІІ – зовнішні і біля підошви частини гребель що розташовані нижче мінімальних експлуатаційних рівнів води у верхньому і нижньому б’єфах;

ІV – внутрішня частина гребель, що обмежена зонами І-ІІІ.

Твердою породою дерева

1 – тверда порода дерева;

2 – анкер; 3 - бетон