На конструкцию плотины действуют различные типы сил, такие как давление воды, собственный вес, давление волн и т.д. Определение различных сил, действующих на конструкцию, является первым шагом в проектировании плотин. Считается, что эти силы действуют на единицу длины плотины.
Силы, действующие на конструкцию плотины
1. Давление воды
Это давление воды, которое действует перпендикулярно на верхнюю грань плотины. Для этого существует два случая:
A. Верхний бьеф плотины вертикален, а на нижнем бьефе плотины нет воды Рис.1.
давление воды на вертикальный верхний бьеф плотины
Полное давление имеет горизонтальное направление и действует на верхний бьеф на высоте H/3 от дна. Давление воды на плотину рассчитывается согласно уравнению 1.
Где:
w: удельный вес воды. Обычно он принимается равным единице.
H: высота, до которой хранится вода, в метрах.
B. Верхний бьеф с тестом, а на нижнем бьефе воды нет, как показано на рис.2.
давление воды на наклонный верхний бьеф плотины
Здесь в дополнение к горизонтальному давлению воды по уравнению 1, существует вертикальное давление воды. Оно обусловлено тем, что столб воды опирается на наклонную сторону верхнего течения.
Вертикальное давление
действует на часть основания длиной ‘b’. Это вертикальное давление рассчитывается следующим образом:
Давление действует через центр тяжести столба воды, покоящегося на наклонной стороне вверх по течению.
Если вода стоит на нижней стороне плотины, давление воды будет иметь вертикальную и горизонтальную составляющие, которые можно определить с помощью уравнения 1, за исключением высоты воды, что показано на рис.3.
Давление воды на нижележащую сторону фактически стабилизирует плотину. Следовательно, как дополнительный фактор безопасности, им можно пренебречь.
давление воды на нисходящий поток плотинного сооружения
2. Давление при подъеме или просадочные нагрузки
Когда вода хранится на верхней стороне плотины, существует напор воды, равный высоте, до которой вода хранится.
Эта вода под давлением попадает в поры, трещины и щели материала фундамента. Она также проникает в стык между плотиной и фундаментом у основания и в поры самой плотины.
Затем вода просачивается через них и пытается выйти наружу в нижнем бьефе. Просачивающаяся вода создает гидравлический градиент между верхней и нижней сторонами плотины.
Этот гидравлический градиент вызывает вертикальное восходящее давление. Восходящее давление известно как подъемная сила, которая является вторым по величине внешним давлением. Подъем уменьшает эффективный вес конструкции и, следовательно, уменьшает восстанавливающую силу.
Поэтому необходимо изучить природу подъема, а также разработать методы снижения величины давления подъема.
давление при подъеме
Ссылаясь на рисунок 3, давление при подъеме определяется следующим образом
где 
это давление подъема, B – ширина основания плотины, а H – высота, на которой хранится вода. Этот общий подъем действует на B/3 со стороны пяты или верхнего бьефа плотины.
Подъемная сила обычно уменьшается путем строительства дренажных труб между плотиной и ее основанием, возведения отсекающих стен под верховой гранью, отверстий в секции плотины или напорной цементации основания плотины.
3. Силы землетрясения
Динамические нагрузки, возникающие в результате землетрясений, должны учитываться при проектировании всех крупных плотин, расположенных в сейсмических районах “высокого риска”, а также для плотин, расположенных в непосредственной близости от потенциально активных комплексов геологических разломов.
Землетрясение порождает волны во всех возможных направлениях. Однако для целей проектирования они должны быть разделены на вертикальную и горизонтальную составляющие. Горизонтальная составляющая имеет больший эффект.
Сейсмические колебания воздействуют как на тело плотины, так и на воду в водохранилище плотины. Таким образом, возникающие динамические нагрузки обусловлены инерции плотины и гидродинамические гидродинамическими силами от воды в водохранилище. Сейсмические силы оцениваются по следующим уравнениям:
Силы, обусловленные инерцией плотины
где:
и
и: горизонтальный и вертикальный сейсмический коэффициент
: вес плотины
где:
: коэффициент грунтового основания, и принимается равным 1
: коэффициент важности
: базовый сейсмический коэффициент, взятый из сейсмических карт.
принимается равным 1,5*
принимается равным 1,5*и
принимается равным 0,75*принимается равным 0,75*.
ПРИМЕЧАНИЕ: Считается, что силы инерции действуют через центроид секции плотины.
Силы, обусловленные инерцией плотины
Гидродинамическая сила, обусловленная инерцией воды
Теоретические расчеты показывают, что распределение гидродинамического давления в результате землетрясения на верхнем бьефе плотины имеет почти параболическую форму, как показано на рис.6.
гидродинамическая сила, обусловленная инерцией воды
Где
:горизонтальное давление
H : глубина водохранилища
c : вычисляется по следующему уравнению:
z: глубина воды в метрах от верха водохранилища до точки рассмотрения
Cm: зависит от уклона верхнего течения Cm= 0,73
/90
: угол в градусах, который составляет уклон верхнего течения с горизонталью. Если вертикальная часть больше половины глубины, то вся поверхность принимается вертикальной; если вертикальная часть меньше половины глубины, то уклон поверхности определяется линией, соединяющей пятку с уровнем поверхности воды в верховьях реки, как показано на рис.7.
упрощение уклона в верхнем течении
Общая сила давления, Fe , на часть плотины до глубины z от вершины и момент, Me , относительно пяты плоскости, до которой берется давление, даются соответственно:
4. Собственный вес плотины
Вес плотины и ее основания является основной силой сопротивления. Он может быть рассчитан по следующему уравнению:
где:
: удельный вес материала плотины
5. Давление ила
Вес плотины и ее основания является основной силой сопротивления. Он действует на расстоянии h/3 от основания и может быть рассчитан по уравнению 12:
: коэффициент активного давления ила на грунт, который равен 
: коэффициент активного давления ила на грунт, который равен
: угол внутреннего трения грунта, связностью пренебрегаем.
: погруженный удельный вес илового материала.
h : высота осажденного ила.
давление ила на плотину
6. Давление волн
Под действием ветра на поверхности водохранилища образуются волны, которые оказывают давление на верхнюю часть плотины выше уровня воды. Это давление рассчитывается с помощью уравнения 13.
Давление волн зависит от высоты волны, которая определяется следующим образом:
Для F < 32 км:
Для F > 32 км:
: высота воды от вершины гребня до дна впадины в метрах.
V: скорость ветра в км/час
F: фетч или прямая длина водного пространства в км.
Максимальная интенсивность давления из-за действия волн возникает, когда они действуют на высоте 0,5 метров над неподвижной поверхностью воды.
Общая сила, вызванная действием волн, определяется как:
Pw, действующая на высоте 3/8 над поверхностью водохранилища.
волновое давление на плотину
7. Давление льда
Лед, который может образоваться на поверхности воды водохранилища в холодных странах, иногда тает и расширяется. При этом на лицевую сторону плотины действует сила, создаваемая расширяющимся льдом.
Эта сила действует линейно по длине плотины и на уровне водохранилища. Величина этой силы колеблется от 250 до 1500 кН/кв.м в зависимости от колебаний температуры. В среднем, в обычных условиях можно принять значение 500 кН/кв.м.
- Топ-5 крупнейших провалов плотин в мире.
- 21 тип плотин в строительстве.
- Мосульская плотина в Ираке: Самая опасная плотина в мире.
- Разрушение плотины в Остине: Одна из крупнейших катастроф в истории США.
- Причины разрушения земляных плотин.
- Воздействие плотин на окружающую среду.
- Факторы, влияющие на проектирование и строительство насыпных плотин.