CC BY
87
УЕБТЫНС
мвви
гидравлика. инженерная гидрология. гидротехническое строительство
Удк 627.8
в.в. орехов
НИУМГСУ
устойчивость грунтовой плотины с вертикальной диафрагмой
Рассмотрены результаты расчетно-теоретического прогноза напряженно-деформированного состояния высокой грунтовой плотины с противофильтраци-онным элементом из укатанного асфальтобетона. Расчеты выполнены методом конечных элементов в упругопластической постановке и с учетом поэтапности возведения плотины и заполнением водохранилища после окончательного возведения плотины. Показано, что работа грунтовой плотины с вертикально расположенной диафрагмой при заполнении водохранилища характеризуется горизонтальным смещением низовой упорной призмы в нижний бьеф и образованием в верховой упорной призме опускающегося вдоль диафрагмы клина. Несмотря на это, возможное разрушение плотины происходит классическим способом — обрушением низового откоса по кругло-цилиндрической поверхности.
Ключевые слова: грунтовая плотина, асфальтобетонная диафрагма, напряженно-деформированное состояние, устойчивость плотины
Анализ работы большого числа построенных к настоящему времени грунтовых плотин [1—13] с асфальтобетонной диафрагмой показывает их высокую надежность. в тоже время опыт строительства и эксплуатации сверхвысоких плотин такого типа отсутствует, и их работа практически не исследована [14—16].
рассмотрим результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния и устойчивости грунтовой плотины из галечника высотой 256 м с асфальтобетонной диафрагмой из укатанного асфальтобетона. заложение верхового и низового откосов плотины 1:2, толщина вертикально расположенной диафрагмы варьируется от 2,5 м внизу до 0,7 м в верхней части плотины.
в качестве материала диафрагмы был рассмотрен хорошо укатанный асфальтобетон, содержащий 7 % битума. прочностные (табл.) и деформационные характеристики укатанного асфальтобетона были получены из обработки результатов трехосных испытаний [17, 18], выполненных в ниУ мгСУ (миСи) под руководством л.н. рассказова, в виде их паспортов прочности и деформируемости. также в расчетах в качестве аналога был использован паспорт прочности и деформируемости нурекского галечника с плотностью укладки 2,25 г/см3 [19].
Свойства материалов плотины
материал тела плотины плотность р, г/см3 Сцепление с, мпа тангенс угла внутреннего трения tgф
галечник 2,25 0,09 0,96
асфальтобетон 2,49 0,375 0,809
ВЕСТНИК 1/2016
расчеты напряженно-деформированного состояния плотины выполнялись методом конечных элементов по вычислительной программе «земля» [20], реализующей модель пластического течения с упрочнением грунта [19], с учетом поэтапности возведения плотины (четыре этапа возведения горизонтальными слоями) и заполнением водохранилища после окончательного возведения плотины.
как показали результаты расчетов, к моменту окончания возведения напряженно-деформированное состояние плотины характеризуется максимальными вертикальными перемещениями тела плотины иу порядка 3,3 м и максимальными сжимающими напряжениями порядка 5 мпа (правило знаков для напряжений: + сжатие).
в диафрагме из укатанного асфальтобетона при наполнении водохранилища материал работает в допредельном состоянии. однако за счет перемещения верхней части диафрагмы в нижний бьеф на величину dUx = 1,4 м (рис. а) в верховой упорной призме на глубине порядка 100 м по контакту с диафрагмой возникает узкая зона предельного состояния материала, а по границе с малоподвижной частью верховой упорной призмы формируется потенциальная поверхность обрушения (рис. г).
в верховой упорной призме формируется клин, верхняя часть которого опускается примерно на dUy ~ 0,2 м (рис. б) и зависает на диафрагме и малоподвижной части верховой упорной призмы (рис. в). при этом вся плотина, кроме контактной зоны между диафрагмой и верховой упорной призмой, работает в допредельном состоянии. локальные коэффициенты запаса в диафрагме из укатанного асфальтобетона более 1,25.
при этом предельное состояние грунта к= 1 в некоторой точке или внутренней области грунтовой плотины еще не означает, что весь грунтовый массив находится в предельном состоянии. признаком разрушения плотины является прогрессирующий характер накопления пластических деформаций в зонах предельного состояния материала плотины [21].
ключевым вопросом оценки безопасности сооружения является определение коэффициента запаса общей устойчивости, для вычисления которого в расчетах необходимо довести грунтовую плотину до разрушения, что может быть сделано путем уменьшения прочностных свойств материалов плотины.
общий коэффициент запаса при этом определяется по зависимости
К = ^ ^ф
2 ** ** ' С tgф
где с* и tgф" — значения прочностных характеристик материалов плотины, при которых расчеты прогнозируют ее разрушение.
как показали результаты расчетов, разрушение плотины происходит при уменьшении прочностных характеристик всех материалов плотины в 2,5 раза. Устойчивость плотины определяется устойчивостью низовой упорной призмы, разрушение откоса которой происходит по классической кругло-цилиндрической поверхности (рис. д).
д
Результаты расчета плотины с диафрагмой из укатанного асфальтобетона: а —
дополнительные горизонтальные перемещения dUx, м, от заполнения водохранилища; б — дополнительные вертикальные перемещения dUy, м, от заполнения водохранилища; в — вертикальные напряжения Бу, МПа-102; г — локальные коэффициенты запаса; д — зона предельного состояния при уменьшении прочностных характеристик материалов плотины (на 5000-й итерации расчета)
ВЕСТНИК 1/2Q16
Вывод. Работа грунтовой плотины с вертикально расположенной диафрагмой при заполнении водохранилища характеризуется образованием в верховой упорной призме опускающегося вдоль диафрагмы клина. При этом наличие потенциальной поверхности обрушения в верховой упорной призме (по краям опускающегося клина) не оказывает влияния на общую устойчивость плотины.
Библиографический список
1. Ляпичев Ю.П. Проектирование и строительство современных высоких плотин. М. : РУДН, 2004. 274 с.
2. Bituminous cores for fill dams // International Commission on Large Dams. Bulletin 84. Paris. ICOLD Publ. 1992. 140 p.
3. Strobl T. and Schmid R. The behavior of dams with asphaltic concrete cores during impounding // Wilmington Business Publishing. Dartford. UK. 1993. Pp. 29—34.
4. Pircher W., Schwab H. Design, construction and behavior of the asphaltic concrete core wall of the Finstetal Dam // Transaction : 16th Int. Congress on Large Dams. Paris : ICOLD Press, 1988. Pp. 901—924.
5. Saxegaard H. Asphalt core dams: Increased productivity to improve speed of construction // Int. J. on Hydropower and Dams. 2002. Vol. 9. No. 6. Pp. 72—74.
6. Ghanooni S. andMahin Roosta R. Seismic analysis and design of asphaltic concrete core dams // Journal of Hydropower and Dams. 2002. Vol. 9 (6). Pp. 75—78.
7. Hao Y.L., He B. Design of the Yele asphalt core rokfill dam // Dam Construction in Cina-State of the Art. 2008. Pp. 226—233.
8. Alicescu V, Tournier J.P., Yannobel P. Design and construction of Nemiscau-1 Dam, the first asphalt core rockfill dam in North America // Proc. of CDA 2008 Annual Conference, Canadian Dam Association. 2008. Pp. 1—11.
9. ВолынчиковА.Н. Богучанская ГЭС — пусковой объект российской гидроэнергетики // Гидротехническое строительство. 2010. № 9. С. 30—37.
10. Wang Weibiao, Hoeg K. Developments in the dosing and construction of asphalt dams // Hydropower and dams. 2010. No. 3. Pp. 83—90.
11. Nackler К., Tschernutter P. Austria's second highest central asphaltic membrane at Feistritzbach dam // Water Power & Dam Constr. 1992. No. 7. Pp. 36—42.
12. Hoeg K., Vatstad T., Kjaernsli B., Ruud A.M. Asphalt core embankment dams: Recent case and research // Int. J. Hydropower Dams. 2007. Vol. 13 (5). Pp. 112—119.
13. Zhu-sheng, Guang-jing Cao. Three Gorges Project: safety checking of Maopingxi asphalt-concrete core rockfill dam // Proc. of the 4th Int. Conf. on Dam Engineering. Nanjing, China, A.A. Balkema, 2004. Pp. 1181—1188.
14. Орехов В.В. Напряженно-деформированное состояние сверхвысокой грунтовой плотины с асфальтобетонной диафрагмой // Гидротехническое строительство. 2015. № 5. С. 57—59.
15. Рассказов Л.Н., Смирнова М.В. К выбору типа грунтовой плотины // Гидротехническое строительство. 2014. № 2. С. 20—23.
16. Вайнберг А.И., Ландау Ю.А. Новая конструкция высокой каменнонаброс-ной плотины с асфальтобетонной диафрагмой в суровых климатических условиях // Гидротехническое строительство. 2015. № 1. С. 13—23.
17. Рассказов Л.Н., Шеримбетов Х.С. Свойства асфальтобетона диафрагм и экранов каменных плотин // Гидротехническое строительство. 1989. № 5. С. 26—30.
18. Чукин Б.А. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость каменно-набросных плотин с противофильтрационным элементом из асфальтобетона : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 1983. 20 с.
19. Зарецкий Ю.К., Ломбардо В.Н. Статика и динамика грунтовых плотин. М. : Энергоатомиздат, 1983. 255 с.
20. Орехов В.В. Комплекс вычислительных программ «Земля-89» // Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований : межвузов. сб. Новочеркасск, 1990. C. 14—20.
21. Орехов В.В. Объемная математическая модель и результаты расчетных исследований напряженно-деформированного состояния основных сооружений Рогунской ГЭС // Гидротехническое строительство. 2011. № 4. С. 12—19.
Поступила в редакцию в ноябре 2015 г.
Об авторе: орехов вячеслав валентинович — доктор технических наук, главный научный сотрудник научно-технического центра «Экспертиза, проектирование, обследование», национальный исследовательский московский государственный строительный университет (ниУ мгсУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, VOrehov@rambler.ru.
Для цитирования: Орехов В.В. Устойчивость грунтовой плотины с вертикальной диафрагмой // Вестник МГСУ 2016. № 1. С. 143—149.
V.V. Orekhov
STABILITY OF EARTH DAM WITH A VERTICAL CORE
Earth dam with impervious element in the form of asphaltic concrete core is currently the most promising type of earth dams (due to simple construction technology and universal service properties of asphaltic concrete) and is widely used in the world. However, experience in the construction and operation of high dams (above 160 m) is not available, and their work is scarcely explored. In this regard, the paper discusses the results of computational prediction of the stress-strain state and stability of a high earth dam (256 m high) with the core. The authors considered asphaltic concrete containing 7 % of bitumen as the material of the core. Gravel was considered as the material of resistant prisms. Design characteristics of the rolled asphaltic concrete and gravel were obtained from the processing of the results of triaxial tests.
The calculations were performed using finite element method in elastoplastic formulation and basing on the phased construction of the dam and reservoir filling.
The research shows, that the work of embankment dam with vertical core during filling of the reservoir is characterized by horizontal displacement of the lower resistant prism in the tailrace and the formation of a hard wedge prism descending along the core in the upper resistant prism.
The key issue of the safety assessment is to determine the safety factor of the overall stability of the dam, for calculation of which the destruction of the earth dam is necessary, which can be done by reducing the strength properties of the dam materials. As a results of the calculations, the destruction of the dam occurs with a decrease in the strength characteristics of the materials of the dam by 2.5 times. The dam stability depends on the stability of the lower resistant prism. The destruction of its slope occurs on the classical circular-cylindrical surface. The presence of a potential collapse surface in the upper resistant prism (on the edges of the descending wedge) does not affect the overall stability of the dam.
Key words: earth dam, asphaltic concrete core, stress-strain state, stability of a
dam.
ВЕСТНИК 1/2016
References
1. Lyapichev Yu.P. Proektirovanie i stroitel'stvo sovremennykh vysokikh plotin [Design and Construction of Modern High Dams]. Moscow, RUDN Publ., 2004, 274 p. (In Russian)
2. Bituminous Cores for Fill Dams. International Commission on Large Dams. Bulletin 84. Paris, ICOLD Publ., 1992, 140 p.
3. Strobl T. and Schmid R. The Behavior of Dams with Asphaltic Concrete Cores during Impounding. Wilmington Business Publishing. Dartford, UK, 1993, pp. 29—34.
4. Pircher W., Schwab H. Design, Construction and Behavior of the Asphaltic Concrete Core Wall of the Finstetal Dam. Transaction : 16th Int. Congress on Large Dams. Paris, ICOLD Press, 1988, pp. 901—924.
5. Saxegaard H. Asphalt Core Dams: Increased Productivity to Improve Speed of Construction. Int. J. on Hydropower and Dams. 2002, vol. 9, no. 6, pp. 72—74.
6. Ghanooni S. and Mahin Roosta R. Seismic Analysis and Design of Asphaltic Concrete Core Dams. Journal of Hydropower and Dams. 2002, vol. 9 (6), pp. 75—78.
7. Hao Y.L., He B. Design of the Yele Asphalt Core Rokfill Dam. Dam Construction in China-State of the Art. 2008, pp. 226—233.
8. Alicescu V., Tournier J.P., Yannobel P. Design and Construction of Nemiscau-1 Dam, the First Asphalt Core Rockfill Dam in North America. Proc. of CDA 2008 Annual Conference, Canadian Dam Association. 2008, pp. 1—11.
9. Volynchikov A.N. Boguchanskaya GES — puskovoy ob"ekt rossiyskoy gidroenergetiki [Boguchany HPP — a Start up Project of Russian Power Engineering]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2010, no. 9, pp. 30—37. (In Russian)
10. Wang Weibiao, Hoeg K. Developments in the Dosing and Construction of Asphalt Dams. Hydropower and Dams. 2010, no. 3, pp. 83—90.
11. Nackler K., Tschernutter P. Austria's Second Highest Central Asphaltic Membrane at Feistritzbach Dam. Water Power & Dam Constr. 1992, no. 7, pp. 36—42.
12. Hoeg K., Vatstad T., Kjaernsli B., Ruud A.M. Asphalt Core Embankment Dams: Recent Case and Research. Int. J. Hydropower Dams. 2007, vol. 13 (5), pp. 112—119.
13. Zhu-sheng, Guang-jing Cao. Three Gorges Project: Safety Checking of Maopingxi Asphalt-Concrete Core Rockfill Dam. Proc. of the 4th Int. Conf. on Dam Engineering. Nanjing, China, A.A. Balkema, 2004, pp. 1181—1188.
14. Orekhov V.V. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie sverkhvysokoy gruntovoy plotiny s asfal'tobetonnoy diafragmoy [The Stress-strain State of Extra-high Earth Dam with Asphaltic Concrete Core]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2015, no. 5, pp. 57—59. (In Russian)
15. Rasskazov L.N., Smirnova M.V. K vyboru tipa gruntovoy plotiny [On the Choice of Earth Dam Type]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2014, no. 2, pp. 20—23. (In Russian)
16. Vaynberg A.I., Landau Yu.A. Novaya konstruktsiya vysokoy kamennonabrosnoy plotiny s asfal'tobetonnoy diafragmoy v surovykh klimaticheskikh usloviyakh [New Design of High Rockfill Dam with Asphaltic-Concrete Core in Harsh Climatic Conditions]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 2015, no. 1, pp. 13—23. (In Russian)
17. Rasskazov L.N., Sherimbetov Kh.S. Svoystva asfal'tobetona diafragm i ekranov ka-mennykh plotin [Properties of Asphaltic Concrete of Cores and Screens of Rockfill Dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. 1989, no. 5, pp. 26—30. (In Russian)
18. Chukin B.A. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie i ustoychivost' kamenno-nabrosnykh plotin s protivofil'tratsionnym elementom iz asfal'tobetona : avtoreferat dissertatsii kandidata tekhnnicheskikh nauk [Stress-strain State and Stability of Rockfill Dams with Asphaltic Concrete Impervious Element : Thesis of Candidate of Technical Sciences]. Moscow, 1983, 20 p. (In Russian)
19. Zaretskiy Yu.K., Lombardo V.N. Statika i dinamika gruntovykh plotin [Statics and Dynamics of Earth Dams]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983, 255 p. (In Russian)
20. Orekhov V.V. Kompleks vychislitel'nykh programm «Zemlya-89» [Computing Programs Complex "Earth-89"]. Issledovaniya i razrabotki po komp'yuternomu proektirovaniyu fundamentov i osnovaniy: mezhvuzovskiy sbornik [Interuniversity Collection "Research and Development in Computer-aided Design of Foundations and Bases"]. Novocherkassk, 1990, pp. 14—20. (In Russian)
21. Orekhov V.V. Ob"emnaya matematicheskaya model' i rezul'taty raschetnykh issle-dovaniy napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya osnovnykh sooruzheniy Rogunskoy GES [Volume Mathematical Model and the Results of Numerical Studies of the Stress-strain State of the Main Structures of the Rogun HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotech-nical Construction]. 2011, no. 4, pp. 12—19. (In Russian)
About the author: Orekhov Vyacheslav Valentinovich — Doctor of Technical Sciences, chief research worker, Scientific and Technical Center "Examination, Design, Inspection", Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU),
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; V.Orehov@rambler.ru.
For citation: Orekhov V.V. Ustoychivost' gruntovoy plotiny s vertikal'noy diafragmoy [Stability of Earth Dam with a Vertical Core]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 1, pp. 143—149. (In Russian)
