CC BY
84
УДК 624.157
М.П. Саинов, С.В. Хохлов*
ФГБОУВПО «МГСУ», *ООО «ТемпСтройСистема»
АНАЛИЗ РАБОТЫ ПОЛИМЕРНОГО ЭКРАНА ВЫСОКОЙ ГРУНТОВОЙ ПЕРЕМЫЧКИ НА ОСНОВЕ РАСЧЕТОВ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
Рассмотрены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния конструкции грунтовой перемычки высотой 50 м, в которой про-тивофильтрационным элементом является геокомпозитный экран (геомембрана и слои геотекстиля). Показано, что из-за низкого коэффициента трения на контакте геокомпозитного экрана с грунтом возможно оползание верховой призмы плотины по экрану. За счет этого в геомембране можно ожидать появления значительных растягивающих усилий, сопоставимых с прочностью полимерного материала. Устройство тяжелой пригрузки экрана грунтом неблагоприятно сказывается на надежности геомембраны. В полимерном экране необходимо устраивать компенсаторы, позволяющие экрану удлиняться без появления растягивающих усилий.
Ключевые слова: полимерный экран грунтовой плотины, геомембрана, геокомпозитный экран, прочность на растяжение, оползнание грунта, напряженно-деформированное состояние, грунтовая плотина, метод конечных элементов.
Полимерные материалы стали применяться в качестве противофильтраци-онных элементов грунтовых плотин и дамб более 50 лет назад [1, 2]. В СССР экран из полимерной пленки был применен в перемычках при строительстве Усть-Хантайской и Нурекской ГЭС [3, 4], а диафрагма из многослойной полиэтиленовой пленки — в качестве противофильтрационного элемента плотины Атбашинской ГЭС [4—7]. В те годы в качестве материала полимерных про-тивофильтрационных элементов в основном использовался малодолговечный полиэтилен, а толщина полиэтиленовых пленок не превышала 0,5 мм. Ведомственные нормы и рекомендации ограничивают применение тонких полиэтиленовых пленок напором 20 м [8, 9].
В последние десятилетия в строительстве активно стали применяться так называемые геомембраны — толстые (толщиной 1-2 мм, а иногда и более) пленки из поливинилхлорида и полиэтилена. Геомембраны имеют высокую прочность и сопротивление проколу. Прочность (предел текучести) полиэтилена на разрыв при одноосном растяжении достигает 28 МПа [8, 9], прочность поливинилхлорида — еще выше. От прокола частицами грунта полимерные пленки стали защищать с помощью геотекстиля. Соединение полимерной геомембраны и полотнищ геотекстиля называют геокомпозитом. Благодаря перечисленным изменениям надежность геомембран как противофильтрационных устройств стала значительно выше, чем ранее применявшихся полиэтиленовых пленок.
Геомембраны стали использоваться для восстановления водонепроницаемости бетонных плотин и железобетонных экранов грунтовых плотин (плотина Солт Спрингс в США) [10, 11], а также в качестве основных противофиль-трационных элементов грунтовых плотин. Примерами могут служить плотина Камбаратинской ГЭС-2 в Киргизии и перемычка плотины Gibe III в Эфиопии. Плотина Камбаратинской ГЭС-2 имеет экран из поливинилхлоридной гео-
мембраны, он воспринимает напор 20 м [12]. В перемычке плотины Gibe III противофильтрационным элементом является диафрагма из геомембраны [13].
Сейчас планируется применение геомембраны в конструкции сверхвысокой плотины Рогунской ГЭС (высотой 335 м). В качестве основного про-тивофильтрационного элемента плотины первой очереди (высотой 75 м) предполагается использовать наклонную диафрагму из геомембраны. Проти-вофильтрационными элементами верховой перемычки высотой 50 м будут являться инъекционная завеса и полимерный экран в виде геомембраны из поли-винилхлорида (рис. 1). Инъекционная завеса будет пересекать слой основания (толщиной около 10 м) и нижний 15-метровый слой перемычки. В верхних 35 м высоты перемычки противофильтрационным элементом будет служить экран из геомембраны.
Рис. 1. Сетка МКЭ для перемычки с геокомпозитным экраном: 1 — геокомпозитный экран, окруженный защитными грунтовыми слоями; 2 — низовая упорная призма; 3 — верховая призма (присыпка экрана); 4 — верховая перемычка с глинистым экраном; 5 — низовая перемычка; 6 — слой аллювиальных отложений; 7 — цементационная завеса в теле верховой перемычки и нескальном основании
В соответствии с проектом полимерный экран перемычки с обеих сторон отделяется от грунта геотекстилем, получается многослойный геокомпозитный экран. От грунтовой насыпи многослойный экран отделяется защитным слоем мелкозернистого грунта. Экран укладывается на откос с уклоном 1 : 2. Длина его наклонной части составляет 72,2 м. Он не является цельным полотнищем. Через каждые 5,5 м высоты геомембрана анкеруется с помощью выпусков в тело грунтовой насыпи. Следующее полотнище приваривается к предыдущему. «Рабочая» длина каждого полотнища, воспринимающая давление воды, составляет 12,3 м. На отметке У1000 геокомпозитный экран при помощи шпильки соединяется с железобетонной плитой, накрывающей тело инъекционной завесы. В зоне прикрепления к укрепленному инъекцией грунту экран имеет горизонтальный участок длиной 3 м.
Особенностью рассматриваемой конструкции перемычки является наличие значительной по объему присыпки экрана каменной наброской.
Описанная выше перемычка хотя и относится к временным сооружениям, является достаточно ответственным сооружением. Поэтому от надежности полимерного экрана, воспринимающего напор до 33,5 м, зависит судьба строительства сверхвысокой плотины.
Чтобы подтвердить надежность экрана, требуются расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС). Они позволят определить, не возникает ли в пленке разрывающие усилия такой величины, которые могут нарушить ее целостность.
Решение задачи о НДС грунтовой плотины с тонким полимерным экраном методом конечных элементов (МКЭ) осложняется двумя факторами.
Первый фактор — очень малая толщина полимерного экрана. В данном исследовании толщина геомембраны принята равной 3 мм. Соотношение длины экрана к его толщине составляет примерно 1 : 24000. Поэтому для моделирования пленки нельзя применять обычные конечные элементы сплошной среды, так как вследствие большого соотношения сторон (~1 : 1000) его степени свободы будут иметь сверхвысокую жесткость (увеличение примерно в миллион раз), что ухудшит обусловленность разрешающей системы уравнений МКЭ.
В связи с этим было решено для моделирования геомембраны, а также полотнищ геотекстиля использовать обычные стержневые элементы. Малая толщина геомембраны (и геотекстиля) не позволяет ей сопротивляться изгиб-ным деформациям, фактически она работает только на растяжение. Поэтому использование стержневых конечных элементов вполне обосновано.
Второй фактор — это сложный характер взаимодействия слоев экрана между собой и с окружающим грунтом. Возможно проскальзывание пленки и геотекстиля относительно друг друга и грунта относительно геотекстиля. Этот нелинейный эффект моделировался с помощью контактных элементов. В данной задаче контактные элементы вводились на контакте геомембраны с геотекстилем и геотекстиля с грунтом. Таким образом, геокомпозитный экран моделировался 7 слоями конечных элементов: 3 стержневыми и 4 контактными.
Расчетная модель плотины с геокомпозитным экраном включала 428 конечных элементов, из которых 281--элементы сплошной среды, 84 контактных и 63 стержневых. Расчеты производились при разной степени аппроксимации перемещений внутри конечных элементов: линейной, квадратичной и кубической, чтобы оценить точность получаемых решений. При использовании квадратичных конечных элементов количество степеней свободы составило 1898, при кубических — 3142.
Расчеты производились с помощью компьютерной программы NDS_N, разработанной автором. Это позволило учитывать нелинейность деформирования грунтов и последовательность роста расчетной области, а также приложения нагрузок.
Нелинейный характер деформирования грунтов учитывался на основе модели грунта, предложенной Л.Н. Рассказовым [4]. Материалы геомембраны и геотекстиля принимались линейно-упругими. Модуль деформации камня, укрепленного инъекцией цементно-песчаного раствора, принимался равным 1000 МПа. Модуль упругости поливинилхлорида пленки принимался в расчетах равным 1000 МПа (на 50 % больше, чем у полиэтилена [8]), а геотекстиля — 1 МПа.
Последовательность возведения сооружения принималась следующей. После перекрытия русла отсыпается широкая верховая перемычка с глинистым экраном. Затем параллельно с отсыпкой низовой упорной призмы в перемычке выполняется инъекционная завеса. По мере готовности упорной призмы будет вестись укладка геокомпозитного экрана. Когда высота перемычки достигнет проектной, а экран будет уложен на всю высоту, начнутся работы по его присыпке грунтом верховой призмы. Параллельно водохранилище будет постепенно наполняться до проектного уровня. Всего для учета поэтапности возведения плотины в расчетах рассматривались 39 расчетных этапов (моментов времени).
Для исследований надежности плотины с геокомпозитным экраном был проведен не один, а несколько расчетов. Первый расчет (вариант 1) был выполнен для конструкции плотины, в которой экран лежит непосредственно на верховом откосе плотины, он не пригружен каменной наброской. Этот расчет был проведен для того, чтобы можно было выявить влияние верховой призмы на напряженное состояние экрана.
Выполненные для такой конструкции плотины расчеты показали, что максимальный прогиб геокомпозитного экрана до наполнения водохранилища не превысит 2,6 см, а после наполнения (до НПУ) составит 9,8 см (рис. 2). В основном он является результатом деформаций каменной наброски под действием гидростатического давления, а роль осадок насыпи под действием собственного веса — незначительна. Следует отметить, что прогибы экрана распределены довольно равномерно и плавно. В частности, прогиб экрана в месте закрепления составил 4,4 см, что лишь примерно в 2 раза меньше максимального.
JÎZJl
Рис. 2. Прогибы геокомпозитного экрана мембраны в случае отсутствия защитной призмы: красным цветом и заливкой показана эпюра прогибов до начала наполнения водохранилища. Зеленым цветом, без заливки показана эпюра прогибов после наполнения водохранилища
Однако перемещения экрана происходят не только в поперечном направлении (прогибы), но в направлении вдоль экрана, вдоль откоса (продольные перемещения). До наполнения водохранилища за счет осадок грунтовой насыпи экран перемещался вниз, к точке закрепления (рис. 3). Максимальное значение продольных перемещений составило 1,1 см. За счет таких перемещений в экране возникли небольшие растягивающие усилия величиной до 0,4 МПа (рис. 4). После наполнения, за счет общих смещений плотины под действием гидростатического давления в сторону нижнего бьефа, продольные перемещения поменяли свое направление (рис. 3).
шиз.; 4 ^тм»
,■1. ^ " шкала перемещений ^^^^^
VJ^ -^- 6.6 ,, „„ ЧОсн
97 5.0 ч|.
Рис. 3. Продольные перемещения полимерного экрана в случае отсутствия защитной призмы: красным цветом и заливкой показана эпюра перемещений до начала наполнения водохранилища. Зеленым цветом, без заливки показана эпюра перемещений после наполнения водохранилища
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
Рис. 4. Напряжения в геомембране геокомпозитного экрана, МПа, в случае отсутствия защитной призмы: красным цветом и заливкой показана эпюра напряжений до начала наполнения водохранилища. Зеленым цветом, без заливки показана эпюра напряжений после наполнения водохранилища
После наполнения водохранилища экран перемещается в направлении от точки закрепления к гребню. При этом величины продольных перемещений уменьшаются в направлении снизу вверх, т.е. экран стремится сжаться. За счет этого после наполнения растягивающие усилия в экране исчезают (см. рис. 3)1. Максимум продольных смещений наблюдается в точке закрепления и составляет 6,6 см. Из-за этого именно в окрестности точки закрепления в экране возникают растягиваюшие напряжения величиной до 5,1 МПа (см. рис. 4).
Во втором расчете (вариант 2) учитывалось наличие верховой упорной призмы, пригружающей откос, при этом контакт между экраном и грунтом считался абсолютно прочным, без возможности проскальзывания.
В этом варианте за счет веса верховой призмы прогибы экрана увеличились на всем его протяжении (рис. 5). На момент окончания наполнения водохранилища максимальные прогибы экрана составили 17,8 см. Таким образом, устройство пригрузки экрана увеличило его прогибы почти вдвое.
Рис. 5. Прогибы геокомпозитного экрана мембраны: зеленым цветом и заливкой показана эпюра прогибов до начала наполнения водохранилища. Красным цветом, без заливки показана эпюра прогибов после наполнения водохранилищ
Однако плавный характер распределения прогибов геокомпозитного экрана сохранился. В точке закрепления прогибы составили 4,8 см, а на гребне плотины — 3,4 см (см. рис. 3). Можно заметить, что в нижней части экрана нарастание прогибов происходит более интенсивно, чем в верхней.
1 При сжимающих усилиях геомембрана будет стремиться сложиться, заметных сжимающих усилий в ней ожидать не следует. Полученные в расчете сжимающие напряжения показаны для наглядности анализа работы геомембраны. При появлении растягивающих деформаций экран распрямляется.
Наличие пригрузки экрана сильно изменило и его продольные перемещения. В отличие от варианта 1, при любом уровне водохранилища продольные перемещения экрана направлены вниз, от гребня к основанию. Почти всегда они нарастают в направлении от гребня к подошве экрана, их максимум наблюдается в самой нижней точке экрана. На этапе 29, в котором водохранилище еще не наполнено, а присыпка возведена наполовину (до отметки У1017,7 м), максмиум продольных перемещений составляет 2,8 см. Такой характер распределения продольных перемещения приводит к появлению в экране растягивающих усилий. На этапе 29 в середине экрана растягивающие усилия доходят до 0,98 МПа (рис. 6). В нижней части экрана растягивающие напряжения достигают 1,14 МПа (рис. 6).
Рис. 6. Напряжения в геомембране геокомпозитного экрана, МПа, до наполнения водохранилища (этап 29): зеленым цветом, с заливкой показана эпюра напряжений для случая прочного контакта грунт — пленка. Красным цветом, без заливки показана эпюра напряжений возможности проскальзывания на контакте пленка — грунт
Как и в варианте 1, после наполнения водохранилища и завершения отсыпки пригрузки (этап 39) продольные перемещения стремятся поменять знак, т.е. их приращения направлены от точки закрепления к гребню. Однако в варианте 2 это происходит только в нижней части экрана (рис. 7). Из-за такого характера перемещения экран в нижней части работает на растяжение. Вблизи точки закрепления растягивающие напряжения достигают 4,86 МПа (рис. 8).
Рис. 7. Продольные перемещения геомембраны геокомпозитного экрана после наполнения водохранилища: зеленым цветом, с заливкой показана эпюра перемещений для случая прочного контакта грунт — пленка. Красным цветом, без заливки показана эпюра перемещений возможности проскальзывания на контакте пленка — грунт
Таким образом, сравнение вариантов 1 и 2 показывает, что устройство при-грузки экрана приводит к увеличению его прогибов и растягивающих усилий в нем.
ВЕСТНИК
МГСУ-
8/2013
В третьем расчете (вариант 3) по сравнению со вторым была учтена возможность сползания грунта пригрузки по геокомпозитному экрану. В расчете угол внутреннего трения контакта геотекстиль — пленка принимался довольно низким — 16,7° (коэффициент трения /= 0,3), а контакта грунт—геотекстиль — 25° (/ = 0,47) [8, 9].
Рис. 8. Напряжения в геомембране геокомпозитного экрана, МПа, после наполнения водохранилища: зеленым цветом, с заливкой показана эпюра напряжений для случая прочного контакта грунт — пленка. Красным цветом, без заливки показана эпюра напряжений возможности проскальзывания на контакте пленка — грунт
Эти углы внутреннего трения меньше, чем угол наклона пленки (27°), поэтому возможно сползание грунта пригрузки по откосу, покрытому геокомпозитным экраном. В соответствии с расчетом подвижки (относительные перемещения) наблюдались в основном в контакте пленки с верхним слоем геотекстиля, и редко — на контакте пленки с нижним полотнищем геотекстиля. Прочность на сдвиг контактов геотекстиля с грунтом при этом сохранялась.
До наполнения водохранилища подвижки грунта относительно геомембраны практически не наблюдались. Уже на этапе 29, когда пригрузка была возведена на половину своей высоты (до отметки У1017,7 м), относительные перемещения в контакте геомембрана — геотекстиль достигли 3,8 см (рис. 9). Практически на всем протяжении контакта прочность на сдвиг была нарушена (на длине 29 м).
Рис. 9. Относительные перемещения в контакте геомембрана — верхний геотекстиль: красным показаны относительные перемещения при возведении защитной призмы до У1029,7 м (этап 33), синим — на момент окончания строительства и наполнения водохранилища (этап 39)
На последующих этапах, по мере роста высоты пригрузки, нарастала длина сдвиговых нарушений и величина относительных перемещений (см. рис. 9). В итоге сдвиговые нарушения охватили почти всю длину контакта геомембрана — геотекстиль. Максимум относительных перемещений контакта всегда приходился на нижнюю часть контакта — на высоте 2.. .3 м от основания экрана. На момент завершения строительства и наполнения они достигли 11,8 см (см. рис. 9).
Сползание грунта по геомембране привело к изменению напряженно-деформированного состояния всей плотины. Пригрузка (верховая призма) сохранила свою устойчивость за счет роста сил трения относительно горизонтальной поверхности перемычки. На этом участке прочность контактов геомембрана — геотекстиль и геотекстиль — грунт нарушена не была, так как здесь геомпо-зитный экран располагается горизонтально, а сверху он пригружен большим слоем грунта.
Напряженное состояние экрана стало неблагоприятным. С одной стороны, давление сползающей верховой пригрузки вызвало дополнительные смещения цементационной завесы в сторону верхнего бьефа, с другой — давление верхнего бьефа вызвало смещения всей плотины в сторону нижнего бьефа. В таких условиях нижняя часть экрана стала испытывать повышенные растягивающие усилия.
На этапе 29 растягивающие напряжения в экране достигли 5,7 МПа (см. рис. 6), а в конце наполнения водохранилища (этап 39) — 32,3 МПа (см. рис. 8). Такие напряжения могут превысить прочность материала геомембраны (ПВХ или полиэтилена) на растяжение — возникает опасность разрыва геокомпозитного экрана. Аналогично разрыву могут быть подвержены слои геотекстиля, укрывающие экран.
Следует отметить, что напряжения в геомембране мало зависят от ее толщины, ее жесткость настолько мала, что не позволяет ей влиять на формирование напряженно-деформированного состояния. Напряжения в геомембране определяются перемещениями окружающего массива грунта.
Поэтому для того, чтобы значительных растягивающих усилий в геомембране не возникало, необходимо укладывать ее с компенсационными петлями, как это было сделано в Атбашинской плотине [6]. В рассмотренной конструкции устройство такой петли предусмотрено не было. Проведенные нами расчеты показали, что если устроить компенсатор в точке сопряжения горизонтального и наклонного участков диафрагмы, то растягивающие напряжения в геомембране снизяться до 12 МПа. Для этого понадобится возможность удлинения экрана примерно на 2,25 см, это минимальная длина петли компенсатора.
Выводы. 1. Работа геокомпозитного экрана в теле высокой каменной насыпи во многом зависит от условий его взаимодействия грунтом, толщина геомембраны практически не влияет на напряжения в ней. В рассмотренной конструкции грунтовой дамбы напряженное состояние пленочного экрана в значительной степени зависит от прочности контакта пленки с накрывающим его геотекстилем. Только численные расчеты напряженно-деформированного состояния грунтовой плотины, которые позволяют учесть возможность нарушения прочности контакта экран — насыпь, обеспечивают оценку надежности работы геокомпозитного экрана.
2. При численных исследованиях напряженно-деформированного состояния плотин методом конечных элементов моделирование тонкого пленочного
противофильтрационного элемента можно осуществлять с помощью стержневых конечных элементов, так как пленка работает только на растяжение. Сложностью подобных расчетов является то, что жесткость полимерного экрана очень мала, поэтому для получения хороших результатов необходимо выполнять расчеты с высокой степенью точности, с подробной дискретизацией расчетной области.
3. При моделировании геокомпозитного экрана можно не учитывать его многослойность, т.е. слои геотекстиля, окружающие основу геомпозита — полимерную геомембрану. Учет многослойности не только усложняет численную модель, но и неблагоприятно сказывается на ходе итерационного решения нелинейной задачи.
4. Основной особенностью работы грунтовых плотин с геокомпозитными экранами является возможность оползания грунта по геокомпозитному экрану вследствие низкого коэффициента трения на контакте грунта с геокомпозитным экраном. Для рассмотренной конструкции такой эффект вполне ожидаем. Проскальзывание грунта происходит в основном на контакте между пленкой и верхним слоем геотекстиля. На контакте между пленкой и нижним слоем геотекстиля оно менее вероятно, так как этот контакт дополнительно сжат гидростатическим давлением.
5. В рассмотренной конструкции грунтовой дамбы устройство тяжелой пригрузки геокомпозитного экрана негативно сказалось на напряженном состоянии геомембраны. Возникшее оползание грунта по экрану привело к передаче на экран через трение (в зоне прочных контактов) значительных растягивающих усилий. Растягивающие напряжения приближаются к прочности полимера на растяжение. В этих зонах прочность геотекстиля будет нарушена, что может привести к повреждению геомембраны.
6. При устройстве полимерного экрана в зонах закрепления обязательно необходимо устраивать компенсаторы, позволяющие экрану удлиняться без появления растягивающих усилий. Однако следует иметь в виду, что это не гарантирует отсутствие в геомембране растягиваюших усилий, так как они передаются через трение.
Библиографический список
1. Попченко С.Н., Глебов В.Д., Игонин Х.А. Опыт применения полимерных материалов в гидротехническом строительстве // Гидротехническое строительство. 1973. № 12. С. 9—13.
2. Радченко В.П., Семенков В.М. Геомембраны в плотинах из грунтовых материалов // Гидротехническое строительство. 1993. № 10. С. 46—52.
3. Бруссе А.Г., Глебов В.Д., Детков Б.В. Полиэтиленовый экран перемычки Усть-Хантайской ГЭС // Гидротехническое строительство. 1971. № 11. С. 4—5.
4. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М. : Изд-во АСВ, 2001. 384 с.
5. Зиневич Н.И., Лысенко В.П., НикитенковА.Ф. Центральная пленочная диафрагма плотины Атбашинской ГЭС // Энергетическое строительство. 1974. № 3. С. 59—62.
6. Глебов В.Д., Лысенко В.П. Конструирование пленочных противофильтрацион-ных элементов в плотинах и перемычках // Гидротехническое строительство. 1973. № 5. С. 33—35.
7. Айрапетян Р.А. Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин. М. : Энергия, 1975.
8. Рекомендации по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полимерных рулонных материалов / ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева»; СПб.НИИ АКХ им. К.Д. Памфилова. СПб., 2001.
9. СН 551—82. Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов / ООО «Гидрокор», 2001.
10. Scuero A.M. and Vaschetti G.L. "Repair of CFRDs with synthetic geomembranes in extremely cold climates", Proceedings, Hydro 2005 - Policy into practice, Villach, 2005.
11. Sembenelli P., andRodriquezE.A. "Geomembranes for Earth and Earth-Rock Dams: State-of-the-Art Report," Proc. Geosynthetics Applications, Design and Construction, M. B. deGroot, et al., Eds., A. A. Balkema, 1996, pp. 877—888.
12. Корчевский В.Ф., Обополь А.Ю. О проектировании и строительстве Камбара-тинских гидроэлектростанций на р.Нарыне в Киргизской Республике // Гидротехническое строительство. 2012. № 2. С. 2—12.
13. Pietrangeli G., Pietrangeli A., Scuero A., Vaschetti G., Wilkes J. Gibe III: Zigzag geomembrane core for rockfill cofferdam in Ethiopia. 31st Annual USSD Conference San Diego, California, April 11-15, 2011, pp. 985—994.
Поступила в редакцию в июле 2013 г.
Об авторах: Саинов Михаил Петрович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14, mp_sainov@mail.ru;
Хохлов Сергей Викторович — руководитель направления «Плотины и мосты», ООО «ТемпСтройСистема», 119296, г. Москва, Университетский проспект, д. 5, 8(495) 727-06-20, s.khokhlov@tempstroy.ru.
Для цитирования: Саинов М.П., Хохлов С.В. Анализ работы полимерного экрана высокой грунтовой перемычки на основе расчетов напряженно-деформированного состояния // Вестник МГСУ 2013. № 8. С. 78—88.
M.P. Sainov, S.V. Khokhlov
ANALYSIS OF BEHAVIOR OF POLYMER SCREENS OF HIGH EARTHFILL COFFERDAMS ON THE BASIS OF THE STRESS-STRAIN STATE CALCULATIONS
The article deals with the results of the numerical analysis of the stress-strain state of a 50 m high earthfill cofferdam. A geocomposite membrane (geo-membrane and geo-textile layers) in its upper part (20 m) serves as a seepage control element. The grout curtain is installed in the lower part of the cofferdam and in the foundation. The cofferdam design implements the idea of using riprap to reduce the weight of the geocomposite membrane.
The analysis proves that the high weight of the membrane considerably worsens the stress state of both the membrane and the whole dam. First of all, the load causes additional deflection of the membrane and consequently increases tensile stresses inside it. Second, due to the low value of the friction coefficient (approximately 0.3 - 0.4) in the point of contact between the geocomposite membrane and soil the dam upstream shell may slide down along the geocomposite membrane. Additional dam displacements may cause considerable tensile forces in the geomembrane. Their maximum values are comparable to the strength of the polymer material used for the manufacturing of the membrane. Any rupture of the membrane and geotextile layers may be expected. The analysis proves that it is necessary to get compensators in the polymer membrane allowing for the extension of the membrane absent of any tensile forces.
The analysis proves that the geocomposite membrane does not affect the stressstrain state of the earth fill due to its small thickness. Non-linear effects of "earth - geomembrane" contacts are to be taken into account, because tensile forces appear inside geo-membranes due to the presence of friction forces.
Key words: polymer membrane of an earthfill dam, geo-membrane, geo-composite membrane, tensile strength, soil sliding, stress-strain state of an earthfill dam, finite element method.
References
1. Popchenko S.N., Glebov V.D., Igonin Kh.A. Opyt primeneniya polimernykh materialov v gidrotekhnicheskom stroitel'stve [Experience of Application of Polymeric Materials in Hydraulic Engineering]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 1973, no. 12, pp. 9—13.
2. Radchenko V.P., Semenkov V.M. Geomembrany v plotinakh iz gruntovykh materialov [Geomembranes in Dams Made of Soil Materials]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 1993, no. 10.
3. Brusse A.G., Glebov V.D., Detkov B.V. Polietilenovyy ekran peremychki Ust'-Khan-tayskoy GES [Polyethylene Screen of the Cofferdam of Ust-Khantaiskaya HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 1971, no. 11, pp. 4—5.
4. Gol'din A.L., Rasskazov L.N. Proektirovanie gruntovykh plotin [Design of Earthfill Dams]. Moscow, ASV Publ., 2001, 384 p.
5. Zinevich N.I., Lysenko V.P., Nikitenkov A.F. Tsentral'naya plenochnaya diafragma plo-tiny Atbashinskoy GES [Central Membrane Diaphragm of the Dam of Atbashi HPP]. Energet-icheskoe stroitel'stvo [Construction of Power Generation Facilities]. 1974, no. 3, pp. 59—62.
6. Glebov V.D., Lysenko V.P. Konstruirovanie plenochnykh protivofil'tratsionnykh ele-mentov v plotinakh i peremychkakh [Design of Membrane Waterstop Elements of Dams and Cofferdams] Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 1973, no. 5, pp. 33—35.
7. Ayrapetyan R.A. Proektirovanie kamenno-zemlyanykh i kamennonabrosnykh plotin [Design of Masonry-earthfill and Masonry-riprap Dams]. Moscow, Energiya Publ., 1975.
8. Rekomendatsii po proektirovaniyu i stroitel'stvu protivofil'tratsionnykh ustroystv iz polimernykh rulonnykh materialov [Guidelines for Design and Construction of Waterstop Devices Made of Polymeric Roll Materials]. St.Petersburg, OAO VNIIG im. B.E.Vedeneeva Publ., SPb. NII AKKh im. K.D. Pamfilova Publ., 2001.
9. SN 551—82. Instruktsiya po proektirovaniyu i stroitel'stvu protivofil'tratsionnykh ustroystv iz polietilenovoy plenki dlya iskusstvennykh vodoemov [Construction Rule 551—82. Guidelines for Design and Construction of Waterstop Devices Made of the Polyethylene Film for Artificial Reservoirs]. OOO Gidrokor Publ., 2001.
10. Scuero A.M., Vaschetti G.L. Repair of CFRDs with Synthetic Geomembranes in Extremely Cold Climates. Proceedings, Hydro 2005 - Policy into Practice. Villach, 2005.
11. Sembenelli P., Rodriquez E.A. Geomembranes for Earth and Earth-Rock Dams: State-of-the-Art Report. Proc. Geosynthetics Applications, Design and Construction. M. B. de Groot et al., Eds. A. A. Balkema, 1996, pp. 877—888.
12. Korchevskiy V.F., Obopol' A.Yu. O proektirovanii i stroitel'stve Kambaratinskikh gidro-elektrostantsiy na r. Naryne v Kirgizskoy Respublike [On Design and Construction of Kam-barata Hydraulic Power Plants on the Narin River in the Kyrgyz Republic]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2012, no. 2, pp. 2—12.
13. Pietrangeli G., Pietrangeli A., Scuero A., Vaschetti G., Wilkes J. Gibe III: Zigzag Geo-membrane Core for Rockfill Cofferdam in Ethiopia. 31st Annual USSD Conference. San Diego, California, April 11-15, 2011, pp. 985—994.
About the authors: Sainov Mikhail Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mp_sainov@mail.ru;
Khokhlov Sergey Viktorovich — Head of Dam and Bridges Department, TempStroy-Sistema, 5 Universitetskiy prospect, Moscow, 119296, Russian Federation; s.khokhlov@ tempstroy.ru.
For citation: Sainov M.P., Khokhlov S.V. Analiz raboty polimernogo ekrana vysokoy grunto-voy peremychki na osnove raschetov napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya [Analysis of Behavior of Polymer Screens of High Earthfill Cofferdams on the Basis of the Stress-Strain State Calculations]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 8, pp. 78—88.
