сейсмостойкая плотина

Формула изобретения

Сейсмостойкая плотина, содержащая тело, включающее расположенную со стороны нижнего бьефа верхнюю демпфирующую часть, занимающую объем 0,2 - 0,5 общего объема плотины, и расположенную под верхней демпфирующей частью плотины нижнюю часть, отличающаяся тем, что верхняя демпфирующая часть плотины выполнена в виде совокупности вставленных один в другой массивных блоков, по площади контактной поверхности между каждым из которых и между нижним блоком демпфирующей части плотины и нижней частью плотины установлены прокладки из антифрикционного материала, при этом количество массивных блоков, составляющих верхнюю демпфирующую часть, принято равным количеству основных резонансных частот собственных колебаний плотины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидротехнике и может быть применено при сооружении массивных подпорных сооружений, например плотин из местных материалов, преимущественно в условиях повышенной сейсмической активности.

Известны грунтовые плотины, включающие боковые призмы и противофильтрационный элемент (например, авт. св. СССР N 1193223, кл. E 02 B 7/06, 1985, БИ N 43).

В этой плотине предусмотрена защита от разрушения при сейсмическом воздействии за счет снижения динамического давления в поровой воде путем аэрации водонасыщенной зоны плотины.

Однако, это техническое решение применимо только в весьма узком случае возведения низконапорных плотин из мелкозернистых материалов (песка). В настоящее время грунтовые плотины возводятся практически исключительно из каменно-набросных элементов. В этом случае имеют место высокие коэффициенты фильтрации грунтов боковых призм плотины, в результате чего обеспечивается мгновенное рассеивание динамического давления поровой воды без применения искусственной аэрации.

Кроме того, такое техническое решение целесообразно только в строительный период, так как после завершения строительства в песчаном материале боковых призм плотины образуются дополнительные связи между частицами грунта (явление силикации), грунт при этом приобретает такую структуру, на которую принудительная аэрация положительного антисейсмического воздействия уже не оказывает.

Известна также грунтовая плотина, содержащая тело, часть которого выполнена из омоноличенного грунта (авт. св. СССР N 808581, кл. E 02 B 7/06, 1981, БИ N 8).

Такая плотина выполняется из ориентированных перпендикулярно ее оси вертикальных слоев, причем слои чередуются так, что динамические характеристики соседних слоев заметно (в 1,5-2,0 раза) различаются между собой.

Указанное техническое решение имеет следующие существенные недостатки.

Во-первых, различие динамических характеристик вертикальных слоев грунта, ориентированных перпендикулярно оси плотины, в 1,5-2,0 раза на практике физически недостижимо, так как на величину динамических характеристик грунтов влияет не только принадлежность их к той или иной категории (песок, галечник, каменная наброска и т.д.), но и технология их укладки как в пределах укладываемого слоя, так и на границе их контакта. Незначительное изменение плотности грунтов, определяемое средствами уплотнения, приводит к тому, что даже в пределах вертикального слоя динамические характеристики уже могут отличаться в 1,5-2,0 раз, что в результате обусловливает неэффективность данного технического решения.

Прототипом предлагаемого технического решения выбрана сейсмостойкая плотина, содержащая тело, включающее верхнюю демпфирующую часть, расположенную со стороны нижнего бьефа плотины, которой составляет 0,2-0,5 от общего объема плотины (авт. св. СССР N 1693180, кл. E 02 B 7/06, 1991, БИ N 43).

Демпфирующие свойства верхняя часть плотины приобретает за счет омоноличивания ее упруговязкопластичным материалом, например льдом. Прототип решает задачу повышения сейсмостойкости, но не обеспечивает полную гарантию надежности сооружения при многообразии сейсмических воздействий в районе строительства. Основным недостатком этого решения является то, что оно обеспечивает гашение сейсмических колебаний сооружения, возникающих при совпадении основной энергонесущей частоты землетрясения с первой собственной частотой плотины. Верхняя часть такой плотины представляет собой однокаскадный (одномассовый) демпфер, настроенный на основную энергонесущую частоту землетрясения. Для гашения сейсмических колебаний защищаемого сооружения на частотах сейсмического воздействия, которым соответствует остальная часть энергии землетрясения, необходимо многокаскадное демпфирование и на других (отличных от основной энергонесущей) частотах сейсмического воздействия.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности сейсмостойкой плотины при восприятии сейсмических воздействий с разными энергонесущими резонансными частотами.

Решение указанной задачи достигается тем, что в сейсмостойкой плотине, содержащей тело, включающее верхнюю демпфирующую часть, расположенную со стороны нижнего бьефа плотины и занимающую объем 0,2-0,5 от общего объема плотины, демпфирующая часть тела плотины выполнена в виде совокупности вставленных один в другой массивных блоков, контактные поверхности каждого из которых снабжены прокладками из антифрикционного материала, например из битума, при этом количество блоков равно количеству основных резонансных частот собственных колебаний плотины.

Заявителю не известны технические решения, обладающие такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемое, что свидетельствует о соответствии предлагаемого объекта критерию "новизна".

Благодаря реализации отличительных признаков предлагаемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, достигается новый технический результат - верхняя, наиболее реагирующая на практически весь спектр энергонесущих частот землетрясения часть плотины становится многокаскадным динамическим гасителем колебаний (ДГК) большой массы, позволяющим автоматически отстраивать частоты собственных колебаний плотины от основных эгергонесущих частот сейсмического воздействия. В результате значительно повышается надежность плотины в целом.

Принцип действия ДГК заключается в том, что в сооружении, имеющем определенный спектр собственных колебаний, введение ДГК позволяет автоматически отстраивать частоты собственных колебаний от основных энергонесущих частот сейсмического воздействия. Это приводит к существенному снижению инерционных нагрузок на сооружение и повышению его надежности, так как параметры ДГК являются полностью контролируемыми (детерминистическими).

При этом данный технический результат не следует явным образом из известного уровня техники, а является следствием реализации в предлагаемом техническом решении его отличительных признаков в совокупности с признаками, общими с прототипом.

Вышеизложенное подтверждает, по нашему мнению, соответствие предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен поперечный разрез плотины с многокаскадным ДГК; на фиг. 2 - схема, поясняющая работу конструкции; на фиг. 3 - вид А на фиг. 1.

Грунтовая плотина, расположенная на основании 1, включает тело 2, в котором в верхней части выполнен демпфер 3, состоящий из отдельных, вставленных один в другой массивных блоков 4-6 с контактными зонами 7. Блоки могут быть выполнены из различного материала: как из композитного - омоноличенного льдом, цементом и т.п., так и бетона или другого жесткого материала. В целом блоки 4-6 представляют собой ДГК большой массы, предотвращающий возможность возникновения в сооружении наиболее неблагоприятных резонансных режимов его работы. Позицией 8 обозначена нижняя часть плотины. Возведение плотины осуществляется следующим образом. Нижняя часть 8 плотины примерно на 2/3 высоты возводится традиционным способом: отсыпкой послойно или ярусами с одновременным возведением необходимой конструкции противофильтрационного элемента. Далее с отметки нижней границы демпфера 3 композитный грунт (или другой упомянутый материал в низовом клине плотины) укладывается послойно толщиной 1 - 2 м таким образом, чтобы был получен монолитный блок 4 Г-образной формы.

Контактные зоны 7 выполнены с коэффициентом трения F=f₁,f₂...f_n ниже коэффициентов трения грунтов тела плотины и самих блоков ДГК. В дальнейшем в процессе возведения плотины обычным способом со стороны верхнего бьефа, в уже готовом блоке 4 продолжают выполнять по технологии укладки материала блоки 4, блок 5 также с обмазкой контактных зон 7 битумом. По этой же технологии выполняется и блок 6, а в случае необходимости и другие блоки.

Работа сооружения происходит следующим образом.

Сейсмическое воздействие (землетрясение) является случайным нестационарным процессом. Напряженно-деформированное состояние плотины, являясь обобщенной реакцией сооружения на воздействие нестационарного случайного процесса, представляет собой в свою очередь нестационарную случайную функцию. Надежность (P) сооружения определяется произведением надежности всех его элементов как случайных реакций на случайное нестационарное воздействие. Чем больше число N-элементов плотины, надежность (P) которых представляет случайную нестационарную функцию, тем ниже надежность сооружения в целом, т.е.

P_Ni<1 или

P=P₁..P₂..P_Ni..P_N1

Отсюда следует, что задача повышения надежности сооружения заключается в сокращении числа N-элементов плотины. Этот принцип и положен в основу предлагаемого технического решения.

Гашение энергии сейсмических колебаний происходит следующим образом. При основной энергонесущей частоте землетрясения, близкой или равной частоте собственного тона колебания сооружения в целом, происходит некоторое ограниченное (не приводящее к потере статической устойчивости плотины) динамическое смещение (ход ДГК), на реализацию которого расходуется значительная часть энергии сейсмического колебания по основному тону. Это приводит к смещению блока 4 совместно с блоками 5 и 6.

В том случае, если максимум сейсмической энергии соответствует второй частоте собственных колебаний сооружения, то происходит ограниченное смещение блока 5 совместно с блоком 6, причем блок 4 остается на месте и т.д. При этом блоки 4-6 после сейсмического воздействия возвращаются в исходное положение.

Таким образом, выполнение верхней демпфирующей части плотины в виде ДГК, состоящего из блоков, количество которых соответствует количеству основных резонансных частот собственных колебаний плотины, а также возможность смещения указанных блоков относительно друг друга и тела плотины при сейсмических воздействиях на гидросооружение, обеспечивает автоматическую отстройку частоты собственных колебаний плотины от основных энергонесущих частот сейсмического воздействия в широком диапазоне последних.

В результате существенно снижаются действующие на гидросооружение инерционные нагрузки и, как следствие, повышается надежность гидросооружения при сохранении высокой статической прочности и устойчивости.

Предложение разработано применительно к Тельмамской ГЭС.