Расчет прочности плит крепления нижних бьефов мелиоративных каналов на примере шлюза-регулятора "нулевого" Большого Ставропольского канала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет прочности плит крепления нижних бьефов мелиоративных каналов на примере шлюза-регулятора "нулевого" Большого Ставропольского канала



Целью исследований являлось определение прочности плит железобетонного крепления откосов в нижних бьефах мелиоративных каналов (на примере шлюза-регулятора «нулевого» на Большом Ставропольском канале). Шлюз-регулятор «нулевой» расположен на 34-м километре Большого Ставропольского канала первой очереди. В начальный период эксплуатации канала в нижнем бьефе перегораживающих сооружений стали появляться подмывы железобетонных плит крепления откосов. В результате этого плиты начали сползать на дно, растрескиваться, крошиться и ломаться. Всему этому способствовало волновое воздействие от «раскачки» уровня воды в нижнем бьефе сооружения. За короткий период эксплуатации сооружения за жестким креплением образовалась воронка местного размыва глубиной 2,8 м.

Материалами для достижения поставленной цели послужили результаты натурных исследований, выполненных на данном объекте. В методическом отношении для определения прочности крепления железобетонными плитами руководствовались рекомендациями сводов правил, справочными данными и методическими рекомендациями. По материалам натурных исследований состояния нижнего бьефа шлюза-регулятора «нулевого» были построены эпюры давления волнового наката на откос и эпюры противодавления. По полученным числовым значениям было установлено, что толщина плит, находящихся в натурных условиях, достаточна. В связи с этим устойчивость плит на «всплывание» и «опрокидывание» достаточна, о чем свидетельствуют и натурные наблюдения. С учетом рекомендаций сводов правил определены нагрузки, действующие на железобетонную плиту покрытия откоса, и выполнены расчеты на прочность и трещинообразование, которые показали, что принятые размеры плит удовлетворяют условиям нормативных документов.

Каналы мелиоративного направления армируются гидротехническими сооружениями различного назначения. Практика эксплуатации гидротехнических сооружений показала, что в начальный период их работы (первые 10-15 лет) в нижних бьефах, закрепленных железобетонными плитами, происходит разрушение последнего ряда плит (перед началом крепления каменной наброской).

К одним из наиболее распространенных сооружений на мелиоративных каналах (в количественной характеристике) относятся перегораживающие подпорные сооружения (шлюзы-регуляторы). Шлюз-регулятор «нулевой» (ШР 0) расположен на 34-м километре Большого Ставропольского канала (БСК) I очереди. БСК предназначен для орошения, обводнения и выработки электроэнергии каскадом гидроэлектростанций, расположенным по его трассе. В начальный период эксплуатации I очереди БСК в нижних бьефах перегораживающих сооружений стали появляться подмывы железобетонных плит крепления откосов. В результате этого плиты начали сползать на дно, растрескиваться, крошиться и ломаться.

Всему этому способствовало волновое воздействие на плиты крепления откосов дамб от «раскачки» уровня воды в нижнем бьефе сооружения и обратных продольных течений в водоворотных областях у откосов. За короткий период эксплуатации сооружения за жестким креплением образовалась воронка местного размыва глубиной 2,8 м, а под плитами крепления последнего ряда образовались вымоины грунта в земляных откосах, предвещающие обрушение плит. В связи с этим целью исследований являлось определение прочности плит железобетонного крепления откосов в нижних бьефах мелиоративных каналов (на примере шлюза-регулятора «нулевого» на Большом Ставропольском канале).

Материалы и методы. Материалами для достижения поставленной цели послужили результаты многолетних натурных и лабораторных исследований, выполненных на данном объекте [1, 2]. Откос грунтового гидротехнического сооружения с бетонными креплениями представляет собой двухслойную композицию, причем от состояния бетонного крепления зависит устойчивость откосов и сохранность искусственных насыпей.

В методическом отношении для определения прочности крепления железобетонными плитами руководствовались рекомендациями сводов правил (СП) [3], справочными данными [4] и другими рекомендациями [5, 6].

Расчет плит выполняется в поперечном и продольном направлениях согласно рекомендациям С. И. Рогачко, В. Я. Жарницкого и др. [7-12]. Для расчетов выделяется полоса плиты шириной 1 пог. м в поперечном направлении к продольной оси русла мелиоративного канала. К плите прикладываются все виды нагрузок, и определяются усилия в опорных сечениях [13-17].

Расчетная схема эпюры волнового давления на откос приведена на рисунке 1.

Результаты и обсуждение. Научная новизна и практическая значимость предлагаемых разработок в методическом плане заключается в составлении следующего алгоритма расчета прочности плит железобетонного крепления откосов в нижних бьефах мелиоративных каналов.

Рисунок 1. Эпюра волнового давления на откос, укрепленный плитами, в момент удара волны

УНБ - уровень нижнего бьефа; - ордината точки 2, в которой приложено максимальное расчетное давление , м; - ордината точки 3, равная высоте наката волны на откос обеспеченностью 1 %, м; - угол заложения откоса дамбы канала в нижнем бьефе; - - расстояния от точки 2 до точек приложения расчетных усилий 0,4 и 0,1

1 Высота наката на откос волны обеспеченностью 1 % (, м) для фронтально подходящих волн согласно рекомендациям СП 38.13330.2012 [3] и «Руководства…» [7] определяется по формуле:

где - высота наката волны 1 % обеспеченности на откос, м;

- соответственно коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, значения которых принимаются по таблице Д.1 СП 38.13330.2012 [3] и руководству П 58-76 [7] ( = 1,0; = 0,9);

- коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра и величины заложения откоса по таблице Д.2 СП 38.13330.2012 [3] (при ? 20 м/с = 1,4);

- коэффициент, зависящий от глубины воды (м) в поперечном сечении канала и от пологости волны , принимается по графикам рисунка Д.1 СП 38.13330.2012 [3] (при = 2,23);

- средняя длина волны ( = 3,2 м);

- высота волны обеспеченностью 1 % в системе ( = 0,27 м);

- коэффициент обеспеченности по накату, принимается по таблице Д.3 СП 38.13330.2012 [3] ( = 1,0);

- коэффициент, принимаемый по таблице Д.4 СП 38.13330.2012 [3] в зависимости от угла между урезом воды и фронтом волны (при = 0° = 1,0).

Подставляя числовые значения в зависимость (1), получим:

0,76 м.

2 Определяем максимальное расчетное волновое давление , кПа, согласно эпюре волнового давления на откос при 1,5 < = 1,54 < 5 (рисунок 1, = 28° - угол заложения откоса дамбы) по формуле [3, 7]:

,

Где

;

- высота волны ( = 0,25 м);

- коэффициент, принимаемый по таблице 10 СП 38.13330.2012 [3] в зависимости от пологости волны или по формуле руководства П 58-76 [7]:

;

- максимальное относительное волновое давление на откос в точке 2 (рисунок 1), принимаемое при м по таблице 11 СП 38.13330.2012 [3] или определяемое по формуле [3, 7, 9]:

;

- плотность воды ( = 1 тс/м3).

Подставив полученные значения в формулу (2), находим:

тс/м2 = 14 кН/м2 (кПа).

3 Ордината , м, точки 2 приложения максимального расчетного давления = 14 кН/м2 определяется по формулам, рекомендуемым СП 38.13330.2012, П 58-76, С. И. Рогачко, В. Я. Жарницким и др. [3, 7-9]:

,

где и - параметры, которые определяют положение ординаты (с учетом высоты и средней длины волны ) по отношению к уровню воды в канале, м;

- коэффициент заложения откоса, = 2.

м.

м.

Тогда м.

4 Ордината , м, соответствует высоте наката волн на откос (рисунок 1): м.

5 Определяем расстояния к нахождению ординат эпюры волнового давления на участках крепления по откосу выше и ниже точки 2 (рисунок 1): при и ; при и (где - длина распластывания волны по плите (м), определяется по формуле [3, 7, 9]:

м.

Тогда при м, м кН/м2; при м, м кН/м2.

6 Эпюру волнового воздействия приводим к схеме эквивалентных сосредоточенных сил, используя полученные значения для откосного крепления (рисунок 2) на стандартную плиту ПКН40.20 размером 5000 Ч 3000 Ч 150 мм при ударе волны в ее центр в поперечном направлении.

Рисунок 2. Схема эпюры эквивалентных сосредоточенных сил давления на плиту



Для построения эпюры волнового противодавления , кПа, на плиты крепления откоса вычисляем ее ординаты по формуле руководства П 58-76 (рисунок 3) [7]:

где - относительное волновое противодавление, принимаемое по графикам приложения Д (рисунок Д.3) СП 38.13330.2012 [3]. Коэффициенты определены по формулам (3) и (4).

7 Определяем величину волнового противодавления (кПа) по формуле (5), используя следующие исходные данные: ; ; = 0,0007 МПа; ; = 0,61 м:

кПа.

Рисунок 3. Расчетная схема для определения противодавления

- ширина плиты; - расстояние от нулевой точки до нижнего края плиты; - расстояние от нулевой точки до подошвы откоса с = 2; - коэффициент заложения откоса; - толщина плиты крепления

Значение коэффициента перегрузки принимается по таблице 3 СП 41.13330.2012 [13] (для волновых давлений = 1,0).

8 Определяем толщину плиты , см, по рекомендациям СП 63.13330.2012 [14] и др. [15-18], принимается , где - короткая сторона (ширина) плиты, см, или по формуле В. Ф. Канарского и др. [19, 20]:

м,

где - коэффициент, принимаемый по таблице И.1 (приложения И) СП 25.13330.2012 [18] в зависимости от отношения сторон плиты и относительной крутизны волны .

9 Производим проверку толщины плиты на обеспечение ее устойчивости на «всплывание» и «опрокидывание».

Исходными данными для расчетов (рисунок 3) являются:

- высота волны при 1%-ной обеспеченности, = 0,27 м;

- = 3,2 м; = 0,25 м (обозначения приведены выше);

- - удельный вес железобетона ( = 25 кН/м3);

- = 2, = 28° (обозначения и числовые значения приведены выше);

- - относительная крутизна волны ().

Определяем толщину плиты (см) по рекомендации СП 63.13330.2012 [14]:

см,

где - короткая сторона (ширина) плиты ( = 300 см).

Принимаем = 0,15 м = 15 см (фактическая толщина плиты покрытия откосов в концевой части жесткого крепления в нижнем бьефе шлюза-регулятора «нулевого» БСК составляет 15 см) и производим проверку:

а) выполняем расчет (проверку) толщины плиты (м) бетонного крепления по устойчивости на «всплывание» по формуле [19, 20]:

где - приведенная толщина плиты, м:

м; при = 15 см = 1,04 м;

- приведенный удельный вес бетона, кН/м3:

кН/м3;

- удельный вес железобетона ( кН/м3);

- удельный вес воды ( = 10 кН/м3);

- толщина плиты, принятая по рекомендациям П 58-76, А. Туманова, С. М. Васильева [7, 17, 21] ( = 15 см);

- коэффициент, учитывающий влияние крутизны откоса:

Подставляя в формулу (6) числовые значения, получим:



.

Полученный результат говорит о том, что при фактической толщине плиты = 15 см всплывание плиты не происходит, т. е. условие удовлетворяется;

б) выполняем расчет (проверку) толщины плиты (м) по устойчивости на «опрокидывание» по зависимости:

где м;

Подставив найденные значения в формулу (7), получим:

м.

Расчеты показали, что для устойчивого состояния плит крепления при действии на них волновых усилий оптимальная толщина плит должна быть не менее 14 см. При фактической толщине плиты 15 см опрокидывание не произойдет, т. е. и это условие выполняется.

10 Выполняем расчет плиты как лежащей на упругом основании, так как плиты покрытия откоса уложены на грунт, который не имеет жесткой структуры. Равномерно распределенной нагрузкой служат сосредоточенные эквивалентные давления (см. рисунок 2) при ударе волны в середину плиты.

Длина плиты вдоль откоса м, в основании плит грунт с удельным весом [1]. Для вычисления максимальной поперечной силы и изгибающего момента в выделенной части плиты по рекомендациям И. А. Симвулиди [22] и других авторов [23, 24] определяем показатель гибкости плиты по формуле:

,

где - математическая константа, которая выражает отношение длины окружности к ее диаметру;

- модуль деформации грунта основания ( Н/мм2);

- модуль упругости железобетона ( Н/мм2);

- длина плиты ( м);

- толщина плиты ( м).

Так как (показатель гибкости стремится к бесконечности), то характеристику а (м) определяем по формуле [22, 24]:

м.



Тогда приведенные расстояния от левого и от правого концов полосы до сосредоточенных сил вычисляем следующим образом:

м,

м,

.

Расчеты приведенных расстояний сводим в таблицу 1.

Таблица 1. Определение приведенных расстояний удара волны

Для вычисления изгибающих моментов и поперечных сил от сосредоточенных усилий находим параметры и по зависимостям [22-24]:

,

,



где - расстояния до приложения поперечных сил от точки 1 (пересечения уровня воды с откосом дамбы), м.

Подставив известные величины в формулы (8) и (9), получим:

.

Полученные значения параметров используем для вычисления поперечных сил и изгибающих моментов в назначенных сечениях плиты.

Для этого разбиваем плиту на шесть равных частей ( м) и в каждом сечении определяем поперечные силы и изгибающие моменты по формулам:

,

Результаты вычислений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Числовые значения поперечных сил и изгибающих моментов по длине плиты



Для дальнейших расчетов принимаем максимальный изгибающий момент кН•м.

Условие прочности по СП 41.13330.2012 [13] и А. Е. Саргсяну [24] имеет вид:

,

где - максимальный (нормативный) изгибающий момент в плите, кН•м;

- коэффициент надежности по назначению для сооружений III класса капитальности;

= 1 - коэффициент по основному сочетанию нагрузок;

- коэффициент условия работы бетона класса В20;

- призменная прочность бетона (для В20 МПа);

см - расчетная ширина полосы;

- величина сжатой зоны бетона, см;

- рабочая высота сечения ( см);

см - защитный слой бетона в растянутой и сжатой зонах;

- коэффициент условий работы арматуры:

,

где ; ; ; - безразмерные коэффициенты;

- расчетное сопротивление арматуры (в растянутой и сжатой зонах сечения элемента для А240 МПа).

Определяем высоту сечения сжатой зоны бетона:

см.

Находим площадь сечения сжатой арматуры, предварительно определив следующие коэффициенты:

,

где - коэффициент сечения элемента, безразмерный;

- относительная высота сжатой зоны бетона;

- граничное значение относительной высоты сжатой зоны.

Остальные обозначения символов приведены выше.

Находим числовые значения коэффициентов:

,

Условие выполнено. Арматуру в сжатой зоне принимаем конструктивно, и в уравнении (10) второе слагаемое правой части не учитывается.

Подставив полученные значения в уравнение (10), определяем максимальный допускаемый изгибающий момент, который может выдержать полоса плиты шириной 1 пог. м:

кН•см.

Изгибающий момент от волнового воздействия кН•м меньше допускаемого изгибающего момента кН•м, т. е. условие на прочность выполнено и армирование, которое принято в железобетонных плитах покрытия, достаточно.

Выполненные расчеты для определения прочности плит крепления показали удовлетворительные результаты.

Подмыв, сползание с откоса плит последнего ряда и обрушение грунта происходят за счет обратных течений вдоль береговой линии по урезу воды. Эти течения возникают в связи с тем, что в нижнем бьефе образуются водоворотные зоны в пределах жесткого крепления и за его пределами. При пропуске расходов воды всеми тремя пролетами водоворотные зоны симметричны и располагаются в пределах жесткого крепления.

Иная картина складывается при пропуске расходов воды через два пролета (первый-второй или второй-третий). Длина водоворотной зоны выходит за пределы жесткого крепления (в 2 раза и более превышают длину крепления в зависимости от величины расхода), в ней скорость обратного течения достигает 2,5 м/с и более (рисунок 4).



Рисунок 4. Линии токов в нижнем бьефе ШР 0 при пропуске расходов по левому и среднему пролетам сооружения

Из данных рисунка 4 видно, что правая водоворотная зона имеет длину более 70 м, в то время как жесткое крепление выполнено длиной 42 м. У левого откоса скорости течения достигают 3 м/с, что в 5 раз превышает допускаемую неразмывающую скорость для грунта русла нижнего бьефа.

Выводы

мелиоративный шлюз канал

1. Необходимость выполнения прочностного расчета жесткого крепления для каналов мелиоративного направления состоит в том, что при проектировании сетевых гидротехнических сооружений следует учитывать волновое воздействие на плиты крепления откосов ввиду неустойчивого уровня воды в нижнем бьефе, колебания которого приводят к неравномерной скоростной структуре течения.

2. Приведенные расчеты показали, что фактическая толщина плит превышает расчетную толщину по нормативному документу в 1,25 раза.

Этот факт объясняется тем, что при расчетах по нормативным документам необходимо строго подбирать коэффициенты надежности по условиям работы проектируемого элемента мелиоративного канала.

3. Расчетами на «всплывание» и «опрокидывание» плит от волнового силового воздействия установлено, что эти явления не происходят. Условие устойчивости плит выполняется.

4. Расчеты изгибаемых элементов при ударе волны в центр плиты показали, что расчетный момент на этом сооружении меньше допускаемого максимального, в связи с чем расчет достаточно ограничить определением площади арматуры растянутой зоны сечения условной балки, а в сжатой зоне назначить армирование конструктивно.



Список использованных источников

1. Тищенко, А. И. Сетевые гидротехнические сооружения: монография / А. И. Тищенко. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008. - 247 с.

2 .Тищенко, А. И. Проблема продления жизненных ресурсов сетевых гидротехнических сооружений / А. И. Тищенко // Интеграция науки и образования - стратегия устойчивого развития водно-мелиоративного комплекса страны: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию выпуска первого мелиоратора России. - Новочеркасск: Лик, 2013. - С. 163-166.

3. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов): СП 38.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*. - М.: Минрегион России, 2014. - 116 с.

4. Киселев, П. Г. Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселев. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.

5. Щедрин, В. Н. Эксплуатационная надежность оросительных систем / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, А. В. Колганов. - Ростов н/Д.: СКНЦ ВШ, 2004. - 388 с.

6. Щедрин, В. Н. Стратегия использования орошаемых земель в современных условиях / В. Н. Щедрин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2003. - № 3. - С. 45-51.

Размещено на Allbest.ru

...