CC BY
76
УДК 627.82.042
УСТОЙЧИВОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЛОТИН ИЗ ОСОБО ТОЩЕГО УКАТАННОГО БЕТОНА
Ю.П. Ляпичев, А.Ю. Кожевников
Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений Российский университет дружбы народов 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
Представлены результаты расчетов сейсмостойкости по псевдостатическому способу и линейно-спектральной теории новой смешанной плотины симметричного профиля высотой 100 м с заложением откосов 0,5 с наружными зонами из особо тощего укатанного бетона (УБ) и центральной зоной из камня, упрочненного цементом. В плотине допускается образование «холодных» швов УБ без их обработки, а водонепроницаемость напорной грани обеспечивается установкой двухслойной пленки CARPI (Швейцария), широко применяемой в плотинах из УБ. Результаты расчетов плотины сопоставлены с данными расчетов обычной гравитационной плотины из УБ. Показана перспективность применения новой плотины в сейсмичных районах как на скальных, так и нескальных основаниях.
Современные гравитационные плотины из УБ высотой 100 м и более на скальном основании с вертикальной напорной гранью требуют заложения низового откоса 0,8-0,95 при сейсмичности 8-9 баллов. Другим недостатком этих плотин традиционного профиля является затрудненность или невозможность их строительства на слабых полускальных и грунтовых основаниях, что подтверждает последний Бюллетень СИГБ Ха 117 от 2000 г. [1].
Эти ограничения обычных гравитационных плотин из УБ могут быть преодолены путем перехода на симметричный треугольный профиль плотины из особо тощего УБ (расход цемента до 50-70 кг/м3), без обработки швов УБ и с устройством на верховом откосе железобетонного экрана после возведения плотины [4]. Сейчас уже построены 3 плотины высотой 30 м и начато строительство двух плотин высотой 100 м в Турции и Греции (рис.1).
Дальнейшее развитие этой идеи привело нас в 1998 г. [3] к разработке конструкции плотины симметричного профиля (с заложением обоих откосов 0,5-0,6), но смешанного типа: с наружными зонами из УБ-3 шириной равной в м (3+0,1Н), где Н - напор в метрах, и внутренней зоной из виброукатанного крупнообломочного грунта, упрочненного цементнозольным раствором (рис. 2). Водонепроницаемость напорной грани плотины обеспечивается установкой на ней двухслойной синтетической пленки CARPI (Швейцария), широко
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЛОТИН ИЗ УБ
цемент алия Цемзавеса диаметром 0,5 м цементного раствора
Рис. 1. Плотина Ойюк из особо тощего УБ симметричного профиля высотой 100 м
(Турция)
применяемой в плотинах из УБ. Установка пленки намного проще и дешевле поэтапного бетонирования экрана в опалубке, а ее надежность подтверждена успешной ее работой.
В зависимости от назначения плотины, ее высоты, условий работы (геологии основания и сейсмичности створа), наличия местных крупнообломочных грунтов, золы-уноса или пуццоланов определяют рациональный состав УБ, размеры зон УБ и упрочненного цементом камня, заложения откосов, меры по снижению водопроницаемости верховой зоны.
Главные конструктивно-технологические особенности этой плотины: низкий расход цемента (до 70 кг/м3) и высокий расход золы-уноса (свыше 100 кг/м3) в наружных зонах плотины, непрерывная укладка и укатка УБ-3 (ЯСС) слоями по 30 см и камня, пропитанного цементно-зольно-песчаным раствором (КЕС), слоями по 60 см (с отставанием на 2 слоя УБ), отсутствие обработки швов в центральной зоне, отсутствие или малое количество деформационных швов в плотине, отсутствие дренажных скважин в теле и основании плотины.
Рис. 2, Симметричная плотина высотой 100 м с наружными зонами из УБ-3 (RCC), центральной зоной из камня, упрочненного цементом (REC) и экраном из пленки CARPI
(CVC — обычный бетон; gallery - галерея; grout curtain — цемзавеса)
По сравнению с укатанным камнем, камень, упрочненный цементно-зольным раствором, обладает высоким сцеплением (0,1-0,5 МПа) при таком же угле внутреннего трения (около 45°), а также высоким сопротивлением размыву при пропуске поверх строящейся плотины строительных паводков. В классификации УБ укатанный камень, упрочненный цементом, стоит ниже тощего УБ-1 (его можно считать УБ-0), из которого были построены такие первые плотины из УБ-1, как Уиллоу Крик, Мидл Форк и Монксвил в США, Каноас и Жордао в Бразилии, Уругуай в Аргентине и др. В этих плотинах расход вяжущих был менее 80 кг/м3 при расходе цемента 50-60 кг/м3. Особо тощий УБ-0, как и УБ-1, может приготавливаться на бетонных заводах и доставляться на плотину ленточными конвейерами Ротек (США).
Возможна также раздельная укладка УБ-0: конвейерная подача крупного заполнителя (гравия или щебня крупностью 5-200 мм) и разравнивание его слоями толщиной 60 см, после чего заполнитель заливают слоем цементно-зольного раствора толщиной 10-15 см, который проникает в крупные поры заполнителя. Перемешивание каждого слоя заполнителя после пропитки раствором производится шиповыми виброкатками Дайнепик (1-2 проходки) и уплотнение — гладкими виброкатками Бомаг (2-3 проходки).
Основные преимущества раздельной технологии: замена дорогих бетонных заводов на дешевые растворные узлы вблизи плотины, увеличение крупности заполнителя с 76 до 200 мм и увеличение толщины слоя с 30 до 60 см удешевляет и ускоряет строительство.
Подобную плотину можно классифицировать как каменно-насыпную сцементированную плотину с синтетическим экраном. Ввиду симметричного профиля с заложением обеих откосов 0,5-0,6 в нем при землетрясении не возникает растяжение (раскрытия швов УБ), и поэтому требования к их прочности на сдвиг могут быть сильно снижены по сравнению с обычной плотиной из УБ, что значительно упрощает строительство. Благодаря большой ширине плотины по основанию нормальные напряжения сильно снижаются, что позволяет ее строить не только на скальных, но и на слабых полускальных и грунтовых основаниях.
СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ТРАДИЦИОННЫХ И НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЛОТИН ИЗ УБ
До сих пор не выполнена проверка сейсмостойкости новых конструкций плотин по волновой теории (ВТ) на воздействие сильных землетрясений. Выполнен лишь расчет сейсмостойкости плотины Ойюк высотой 100 м с заложением откосов 0,7 (рис. 1) на псев-достатическое ускорение в 0,2§, по которому было получено отсутствие растяжения в плотине.
Ввиду этого нами были выполнены расчеты сейсмостойкости новой конструкции плотины высотой 30, 60 иЮО м с заложением обоих откосов 0,4; 0,5 и 0,6 в рамках линейноспектральной теории (ЛСТ) и расчеты сейсмостойкости этой плотины высотой 100 м с заложением откосов 0,5 в рамках ВТ на воздействие двух уровней расчетных землетрясений.
В табл. 1 и 2 приведены для сравнения величины коэффициенты запасов устойчивости (надежности) на плоский сдвиг по подошве обычной гравитационной плотины из УБ высотой 100 м с вертикальной напорной гранью и низовой гранью с заложением 0,7; 0,8 и 0,9 и составной плотины из особо тощего УБ-0 такой же высоты с заложением обоих откосов 0,4; 0,5 и 0,7, расположенных на скальном (ф=40°, С=0,2 МПа), песчано-гравелистом (ф=35°, С=0) и глинистом (моренном) основаниях (ф=30°, С=0,1 МПа). Во всех расчетах принималось остаточное противодавление по оси цемзавесы (в скальном основании) или стенки-завесы (в грунтовом основании), равное 40% напора. Расчеты производились на сокращенный состав статических и сейсмических воздействий, причем в последнем случае в рамках ЛСТ принималась схема «сдвигового клина» ввиду наличия в УБ швов с пониженными параметрами прочности на сдвиг (табл. 3), полученными нами по натурным данным [2,4].
Таблица 1
Коэффициенты запаса устойчивости обычной гравитационной плотины из УБ (100 м) на сдвиг по подошве при различном основании
Тип основания Коэффициент запаса устойчивости плотины на сдвиг по подошве (статика/сейсмика) при заложении низового откоса
0,7 0,8 0,9
Скальное 1,91/1,47 2,14/1,60 2,37/1,73
Песчано-гравелистое 1,33/1,02 1,50/1,12 1,66/1,21
Глинистое (морена) 1,24/0,95 1,39/1,04 1,54/1,13
Таблица 2
Коэффициенты запаса устойчивости симметричной плотины из особо тощего УБ (100 м) (заложения откосов 0,4-0,7) на сдвиг по подошве при различном основании
Тип основания Коэффициент запаса устойчивости плотины на сдвиг по подошве (статика/сейсмика) при заложении обеих откосов
0,4 0,5 0,7
Скальное 2,59/1,91 3,15/2,21 4,27/2,74
Песчано-гравелистое 1,99/1,33 2,20/1,55 2,98/1,92
Глинистое (морена) 1,65/1,22 2,01/1,41 2,73/1,75
Согласно СНиП минимальные коэффициенты устойчивости плотин I класса на сдвиг по контакту бетон-основание для статического и сейсмического случаев составляют, соответственно, 1,32 и 1,18. Сравнение этих величин с данными табл. 1 и 2 показывает, что сейсмоустойчивость обычной гравитационной плотины высотой 100 м с заложением низового откоса 0,7-0,9 недостаточна на нескальном основании (глинистом и песчаногравелистом) и тогда следует переходить на симметричный профиль с заложением откосов
0,5-0,7 с использованием особо тощего УБ-0 или камня, упрочненного цементом (рис. 1, 2).
Таблица 3
Параметры прочности и деформируемости швов УБ различного типа
Параметры УБ-1 УБ-2 УБ-3 УБ-4
Прочность на сжатие УБ (МПа), диапазон изменения: среднее значение: 5-15 11,6 10-25 15,2 15-30 20,7 12-25 17,3
Прочность на растяжение поперек шва (МПа): диапазон изменения среднее значение 0-0,7 0,35 0,3 - 1,0 0,7 0,8-1,8 1,35 0,8-1,8 1,3
Сцепление в шве (МПа): диапазон изменения среднее значение 0-1,5 0,7 оо 1 сГ сГ 1,0 - 4,0 1,9 1,5 -4,0 2,4
Модуль упругости У Б (103х МПа) 10-20 15-25 20-25 20-25
В табл. 4 приведены величины нормальных (ау, сх) и главных (о,, о3) напряжений (- сжатие, + растяжение) в основании напорной (с верхним индексом и) и низовой (с индексом йО граней обычной плотины из УБ высотой 100 м с заложением низовой грани 0,7-0,9 при воздействии псевдостатического ускорения в скальном основании, равном 0^.
В табл. 5 приведены величины этих же напряжений в основании обоих откосов новой плотины из УБ-0 высотой 100 м с заложением обеих откосов 0,4-0,7 при воздействии такого же ускорения в скальном основании.
Таблица 4
Напряжения в основании напорной и низовой граней обычной плотины из УБ-3 высотой 100 м при сейсмическом ускорении в скальном основании 0,2%
Заложение ни- Напряжения (в МПа) в основании напорной (верхний индекс и) и низовой (индекс ¿0 граней
зовой грани о; Ох“ °iu 03u ayd axd х d ху a3d
0,7 0,03 -1 0,03 -1 -2,48 -1,21 1,73 -3,69
0,8 -0,42 -1 -0,42 -1 -2,00 -1,28 1,60 -3,29
0,9 -0,74 -1 -0,74 -1 -1,67 -1,67 1,50 -3,03
Таблица 5
Напряжения в основании верхового и низового откосов плотины из особо тощего УБ-0 высотой 100 м при сейсмическом ускорении в скальном основании 0,2%
Заложения обоих откосов Напряжения (в МПа) в основании верхового (верхний индекс и) и низового (индекс (Г) откосов
о/ Ох“ V Ol" d ау <?х“ х * Lxy
0,4 0,17 -0,47 0,47 0,36 -1 -3,0 -0,48 1,22 -3,50
0,5 -0,39 -0,82 -0,30 -0,23 -1 -2,27 -0,61 1,23 -3,09
0,7 -0,94 -0,97 0,03 -0,91 -1 « “v© О -0,93 1,30 -2,80
Из табл. 4 видно, что при сейсмичности 8 баллов в основании напорной грани обычной гравитационной плотины из УБ высотой 100 м при заложении низовой грани 0,7 возникает растяжение или раскрытие горизонтальных швов, говорящее о необходимости упола-живания низовой грани до 0,8. Из таблицы 5 следует, что при сейсмичности 8 баллов требуемое заложение обоих откосов плотины высотой 100 м из особо тощего УБ составит около 0,5.
Аналогичные статические и псевдостатические расчеты устойчивости и сейсмостойкости при сейсмичности 8 баллов были выполнены для обычных плотин из УБ и симметричных плотин из особо тощего УБ-0 высотой 30 и 60 м на тех же скальных и грунтовых основаниях, которые показали, что для симметричных плотин из УБ-0 высотой 30-60 м требуемое заложение обоих откосов 0,4 и более обеспечивает их сейсмоустойчивость и прочность не только на скальных, но и на грунтовых основаниях.
СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ НОВОЙ ПЛОТИНЫ ИЗ ОСОБО ТОЩЕГО УБ В
РАМКАХ ЛСТ
Параметрические расчеты сейсмостойкости новой конструкции плотины высотой 30, 60 и 100 м с заложением обоих откосов 0,4; 0,5 и 0,7 проводились с помощью метода конечных элементов в рамках линейно-спектральной теории (ЛСТ) на воздействие ускорения Agr=0,2g в скальном основании. На рис. 3-6 приведены основные результаты этих расчетов новой плотины высотой 100 м с заложением обоих откосов 0,5 (см. рис. 2). В этих расчетах использовались следующие параметры прочности на сдвиг швов и деформируемости УБ-3: <р=45°, С=0,5 МПа, £=5000 МПа, и=0,2 и УБ-0: <р=45°, С=0,1 МПа, £=1000 МПа, о=0,25.
Рис. 3. Нормальные вертикальные напряжения (ту (т/м2) в плотине Н= 100 м от Ав=0^
Рис. 4. Главные максимальные напряжения О) (т/м2) в плотине Н= 100 м от А8=0,2§
Рис. 5. Нормальные касательные тху (т/м~ плотине Н=Ю0 м от А„=0^
Рис. 6. Главные касательные напряжения Ттак(т/м2) в плотине Н=100 м от А8=0^
Из рис. 3 видно, что верховой откос и зона УБ-3 находятся в сжатом состоянии и вертикальные нормальные напряжения в основании верхового откоса составляют около 0,2 МПа, что обеспечивает отсутствие раскрытия швов УБ. Максимальные главные напряжения по верховому откосу соответствуют давлению ВБ, а в основании низового откоса они достигают 2,3 МПа (рис. 4), что намного ниже прочности на сжатие не только УБ-3 и УБ-1 (табл. 3). но и крупнообломочного грунта, обогащенного цементным раствором или УБ-0.
Касательные напряжения тху (рис. 5) и максимальные касательные напряжения ттах (рис. 6) в основании верховой зоны из УБ-3 достигают, соответственно, 0,77 и 0,9МПа, что примерно в 1,5 раза меньше предела прочности на сдвиг горизонтальных швов УБ-3:
тху = оу 1§ср + С = 0,2tg450 + 1,0 =1,2 МПа, где С= 1,0 МПа — минимальное сцепление в шве УБ-3 (табл. 3). В основании широкой центральной зоны плотины из крупнообломочного
грунта, упрочненного цементным раствором (УБ-0), касательные напряжения тху достигают примерно 0,6 МПа (рис. 6), что почти вдвое ниже предела прочности на сдвиг швов УБ-0:
тху = сгу tg<p + С =l,0tg45° + 0,1 =1,1МПа, где С=0,1МПа — минимальное сцепления в шве УБ.
Таким образом, применение в наружной зоне УБ-3 (табл. 3) обеспечивает отсутствие раскрытия швов и их прочность на сдвиг. В основании центральной зоны УБ-0 и низовой наружной зоны УБ-3 вследствие роста вертикальных нормальных напряжений прочность на сдвиг швов даже без учета сцепления намного превышает касательные напряжения (рис. 5).
В целом, НДС при сейсмическом воздействии в новой симметричной плотине из особо тощего УБ высотой 100 м с заложением откосов 0,5 намного более благоприятное, чем в обычной гравитационной плотине из УБ такой же высоты с заложением низовой грани 0,8.
Таким образом, можно считать, что новая плотина высотой 100 м обжатого профиля (с заложением обоих откосов 0,5) вполне сейсмостойка при воздействии 9 бального землетрясения, что указывает на необходимость рассмотрения этого типа плотины в проектах гидроузлов, расположенных в сейсмических районах при любых грунтовых условиях.
ЛИТЕРАТУРА
[1] ¡COLD Bulletin 117, 2000. The gravity dam - a dam for the future. Review and recommendations, ICOLD, Paris.- 2000, P. 128
[2] Schrader, E. Shear strength and lift joint quality of RCC. Hydropower and Dams, 1999, Vol.6,Nl,p. 46-55
[3] Ляпичев Ю.П. Плотины составные: из укатанного бетона (УБ) и УБ и камня, упрочненного цементом (проектирование и строительство) (на испанском языке). Семинар в компании ESAGEN, Медельин, Колумбия, 1998.- С. 120
[4] Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современных высоких плотин (Часть
1. Плотины из укатанного бетона). Учебное пособие. Изд-во РУДН.-М.: 2004,- С. 270
STABILITY AND STRENGHT OF NEW STRUCTURES OF ROLLER COMPACTED LEAN CONCRETE DAMS
Yu. P. Lyapichev, A. M. Kozhevnikov
Department of Hydraulics and Hydraulic Structutres,
Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str. 6, Moscow 117198, Russia
Results of seismic resistance analysis by pseudostatic and linear spectral methods are considered for the new composite symmetrical 100 m high dam with both slopes of 1/0.4, 1/0.5 and 1/0,7 (V/H), outer zones of roller compacted concrete (RCC) and wide central zone of rockfill enriched with cement mortar (REC). The formation of so called “cold joints” in RCC and REC is allowed without their treatment and impermeability of upstream slope is provided by two-layered geomembrane CARPI (Switzerland) widely used in many RCC dams. Results of this analysis are compared with results of the same analysis of traditional RCC gravity 100 m high dam with downstream slope of 1/0.7, 1/0.8 and 1/0.9 (V/H). The feasibility and perspective of new darn is shown for seismic regions with rock and soil foundations.
Ляпичев Юрий Петрович (p. 1937) - профессор, доктор технических наук, член Международной комиссии по большим плотинам и Российской академии водохозяйственных наук, международный консультант по плотинам и геотехнике, автор более 100 статей, 3 монографий, 3 программ численных расчетов грунтовых плотин, 12 учебных пособий. Закончил МИСИ в 1959 г.
Prof., Dr. (Tech. Sc.)
Lyapichev Yu. P. (b. 1937) is a member of International Commission on large dams and Russian Academy of Water Economy Sciences, international consultant on dams and geotechnics, author of more than 100 papers, 3 monographs. 3 programs for numerical analyses of dams and 12 manuals for students. He graduated from the Moscow Civil Engineering Institute in 1959.
