CC BY
21
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №5, Том 10 / 2018, No 5, Vol 10 https://esj.today/issue-5-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/03SAVN518.pdf Статья поступила в редакцию 15.08.2018; опубликована 03.10.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Саинов М.П., Котов Ф.В. Работоспособность грунтовой плотины с многоярусной диафрагмой, выполненной методом «стена в грунте» // Вестник Евразийской науки, 2018 №5, https://esj.today/PDF/03SAVN518.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Sainov M.P., Kotov F.V. (2018). Workability of embankment dam with multi-layer diaphragm constructed by «cutoff wall method». The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(10). Available at: https://esj.today/PDF/03SAVN518.pdf (in Russian)
УДК 627.8
Саинов Михаил Петрович
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет», Москва, Россия Доцент кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства»
Кандидат технических наук E-mail: [email protected] РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=855708
Котов Филипп Викторович
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет», Москва, Россия Ассистент кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства»
E-mail: [email protected] РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=675643
Работоспособность грунтовой плотины с многоярусной диафрагмой, выполненной методом «стена в грунте»
Аннотация. Одним из новых типов конструкций грунтовых плотин является конструкция с многоярусной диафрагмой, устроенной из буронабивных свай. Актуальным вопросом является расчётное обоснование возможности применения этой конструкции.
Обоснование конструкции плотины проводилось путём численного моделирования её напряжённо-деформированного состояния. Исследования проводились в плоской и пространственной постановках. Учитывалась последовательность возведения сооружения и нелинейность контактного взаимодействия между грунтом и негрунтовыми конструкциями. Рассматривались несколько вариантов материала диафрагмы - от литого глиноцементобетона до бетона.
Противофильтрационная диафрагма, устроенная из буронабивных свай, может находиться в благоприятном напряжённо-деформированном состоянии только в случае, если её материал по своей деформируемости будет приближён к грунту плотины. Рекомендуется выполнять диафрагму из литого глиноцементобетона. В этом случае большая часть диафрагмы будет испытывать сжимающие напряжения даже в условиях деформаций изгиба. За счёт бокового обжатия гидростатическим давлением и давлением грунта прочность глиноцементобетона на сжатие будет обеспечена даже в нижнем ярусе диафрагмы.
Растягивающие напряжения в глиноцементобетонной диафрагме возникают только в зонах примыкания к скальному основанию в направлении от борта к борту. Возможно раскрытие строительных швов между отдельными сваями. Наиболее уязвимым узлом конструкции многоярусной диафрагмы являются плиты «замков», соединяющие ярусы диафрагмы и играющие роль шарниров. В результате возникновения растягивающих напряжений они могут быть подвержены трещинообразованию.
Конструкция плотины с многоярусной диафрагмой, устроенной из буронабивных свай, при соблюдении ряда условий является работоспособной и имеет перспективы для применения. Однако требуется дальнейшая проработка конструкция плотины для обеспечения гарантий её надёжной работы, особенно узлов соединения ярусов диафрагмы.
Ключевые слова: грунтовая плотина с диафрагмой; стена в грунте; глиноцементобетон; напряжённо-деформированное состояние; численное моделирование
В гидротехническом строительстве широко применяются противофильтрационные завесы, устроенные методом «стена в грунте». В основном такие завесы устраиваются в основании плотин [1-5]. Однако, конструкции типа «стены в грунте» применяются и в качестве противофильтрационных элементов грунтовых плотин. Диафрагма, устроенная из буронабивных свай, стала новым противофильтрационным элементом плотин Боулдерхед (Великобритания), Фонтенель (США), Курейская (Россия) [6-9].
Поэтому логичным стало применение «стен в грунте» в качестве исходного противофильтрационного элемента грунтовой плотины. Был построен ряд плотин, в которых противофильтрационная завеса была устроена траншейным методом. В 1970-х годах в Германии была построена плотина Формиц высотой 31 м, в которой противофильтрационным элементом являлось ядро из илистых песков, в центре которого была устроена «стена в грунте» [10]. В 1990-х годах в Омане была возведена плотина Вади Хавазинах [11] высотой 6,5 м с грунтобетонной диафрагмой.
Для упрощения было предложено устраивать негрунтовую диафрагму грунтовой плотины методом буронабивных свай. Недавно ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева разработал рекомендации по проектированию, расчётам и возведению противофильтрационного элемента грунтовой плотины из глиноцементобетонных буросекущихся свай1. Конструкция плотины была запатентована2, а затем реализована при строительстве Нижне-Бурейской плотины.
В 2013 г. специалисты ОАО «Гидроспецпроект» предложили применить диафрагму из буронабивных свай для строительства более высокой плотины - плотины Гоцатлинской ГЭС [12]. Эта плотина имеет высоту 69 м и располагается на слое гравийно-галечникового основания мощностью до 23 м. Идея состояла в том, чтобы устроить диафрагму из свай в несколько ярусов (рис. 1). Нижний ярус должен был пересечь слой нескального основания и цокольную часть плотины. В оставшейся части высоты плотины (59 м) предлагалось устроить ещё 2-3 яруса буронабивных свай, т. к. сваи устраиваются обычно на глубину не более 30 м. Соединение ярусов было предложено осуществить с помощью устройства плит ("замков"),
1 СТП 310.02.НТ-2017. Рекомендации по проектированию, расчётам и возведению противофильтрационного элемента из глиноцементобетонных буросекущихся свай / Под ред. Мильцина В.Л., Орищука Р.Н., Сольского С.В. СПб.: АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», АО «Ленгидропроект». 2017. - 118 с.
2 Патент РФ № 2014144558/13, 05.11.2014. Гаркин А.С., Борзунов В.В., Васильев А.В., Кадушкина Е.А., Николаева Е.А. Грунтовая плотина // Патент России № 151898. 2015. Бюл. № 11.
Страница 2 из 21
Введение
03SAVN518
выполненных из глиноцементобетона. Данные плиты выполняют важную роль - они должны обеспечить герметичность диафрагмы в условиях наличия неточности ведения строительных работ. При устройстве свай допускается отклонение её оси от вертикали на 1 % её высоты. Горизонтальная плита должна надёжно соединить ярусы диафрагмы, имеющие разный наклон.
I, II, III - ярусы стены; П-1 - суглинистый грунт верховой перемычки; П-2 - гравийно-песчаная центральная часть; П-3 - гравийно-галечниковый грунт упорных призм плотины; О-1 - гравийно-галечниковый грунт основания плотины; О-2 - скальное основание плотины; С - глиноцементобетон стены
Рисунок 1. Конструкция высокой плотины с противофильтрационным элементом, возведённым поярусно методом «стена в грунте» (составлено авторами)
Принципиальная схема конструкции плотины была запатентована3 . Т. к. опыта строительства подобных плотин в мире нет, поэтому Гоцатлинская плотина была возведена с противофильтрационным элементом другого типа - с асфальтобетонной диафрагмой.
Оценке надёжности конструкции плотины с многоярусной диафрагмой, возведённой из буронабивных свай, посвящены ряд работ [13-16]. Исследования, выполненные нами в 2013 г. [13], показали, что конструкция Гоцатлинской плотины с многоярусной диафрагмой может быть вполне работоспособной, если в качестве материала использовать пластичный глиноцементобетон. Были также проанализированы условия работы ярусов диафрагмы, было выявлено, что наибольшие усилия воспринимает нижний ярус диафрагмы. В работе [14] было показано, что при правильном выборе материала возможно строительство подобных плотин даже при высоте 100 м. Затем были проведены исследования напряжённо-деформированного состояния (далее - НДС) плотины в пространственных условиях [15, 16]. В работе [15] нами было показано, что возможны нарушения целостности контакта диафрагмы со скальным основанием. Очень подробные исследования НДС грунтовой плотины с глиноцементобетонной диафрагмой из буронабивных свай были проведены ВНИИГ и представлены в [16] и СТП 310.02.НТ-2017. Было показано, что предпочтительнее возводить диафрагму в несколько очередей и постепенно наполнять водохранилище. Это позволит уменьшить сжимающие и растягивающие напряжения. Было получено, что растягивающие напряжения возникают лишь в областях сопряжения со скальным основанием.
Однако в указанных работах были даны ответы не на все вопросы. Данная статья направлена на заполнение оставшихся «пробелов». Во-первых, необходимо дать рекомендации по выбору материала для устройства многоярусной диафрагмы. Во-вторых, необходимо оценить надёжность плит «замков», соединяющих ярусы диафрагмы.
Исследования проводились для условий Гоцатлинской плотины, которая построена высотой 69 м в створе шириной по гребню 145 м. Плотина построена в довольно узком створе
3 Патент РФ № 2013111020/13, 12.03.2013. Алиев Н.А., Гаджимагомаев Б.У., Киселёв В.Н., Никулин Д.А., Редькин В.А., Юркевич Б.Н. Грунтовая плотина // Патент России №130322. 2013.
с коэффициентом створа около 2. В качестве материала соединительных «замков» рассматривался глиноцементобетон.
Методы и методика
Исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) плотины проводились путём численного моделирования в плоской и пространственной постановках. Для численного моделирования использовалась вычислительная программа, составленная к.т.н. Саиновым М.П. [17]. При расчётах учитывались следующие факторы:
• последовательность возведения и нагружения сооружения;
• нелинейность деформирования контактов противофильтрационных элементов с грунтовым массивом и между собой (возможность проявления проскальзывания и раскрытия);
• нелинейность деформирования каменной наброски.
Для описания нелинейности деформирования каменной наброски использовалась модель Л.Н. Рассказова [18].
Расчёты в плоской постановке проводились для плоского сечения плотины максимальной высоты. Конструкция плотины и основание была разбита на 738 конечных элементов, из которых 637 - конечные элементы сплошной среды, 101 - контактные (рис. 2). Использовались конечные элементы с квадратичной аппроксимацией перемещений внутри элемента. Количество степеней свободы в расчётной области составило 4156.
Рисунок 2. Общий вид конечно-элементной модели для сечения плотины (составлена автором)
При расчётах НДС в пространственной постановке использовалась пространственная конечно-элементная модель плотины и основания, которая включала в себя 14245 конечных элементов (рис. 3). В исследованиях принималось, что грунт тела плотины имеет возможность проскальзывать относительно скальных бортов (при нарушении прочности на сдвиг), а контакт между диафрагмой и скалой является абсолютно прочным. Контактные элементы вводились в сетку МКЭ на границе мягких грунтов со скальными грунтами и с негрунтовыми конструкциями. Кроме того, они устраивались также и на границе между ярусами диафрагмы, между диафрагмой и скальным основанием. Большинство конечных элементов имели квазилинейную аппроксимацию для того, чтобы уменьшить размерность задачи. Конечные элементы, которые моделировали ПФС, а также непосредственно прилегающие к ней грунты, имели квадратичную аппроксимацию. В качестве граничных условий было принято отсутствие перемещений по внешней границе скального массива, вмещающего плотину и нескальное основание. Общее количество степеней свободы модели составило 39726.
Рисунок 3. Пространственная конечно-элементной модели плотины в характерных сечениях: а - сечение с максимальной толщиной нескального основания; б - сечение по напорной грани стены (без учёта скального основания) (составлена автором)
Исследование включало выполнение расчётов для трёх основных вариантов материала диафрагмы:
№1 - литой глиноцементобетон, с модулем линейной деформации Е = 100 МПа,
№2 - пластичный бетон, т. е. бетон с добавкой бентонита, имеющий Е = 1000 МПа,
№3 - бетон с Е = 29000 МПа.
При оценке прочности материалов №1 и №2 учитывался эффект роста их прочности на сжатие за счёт наличия бокового обжатия [19, 20]. Для бетона (материал №3) в соответствии со строительными нормами прочность на сжатие принималась равной 17 МПа. Это соответствует классу бетона В30.
Результаты
Результаты численного моделирования НДС плотины позволили выявить условия работы в теле высокой грунтовой плотины диафрагмы, устроенной из буронабивных свай, а также сформулировать рекомендации по выбору материала стены.
Анализ результатов расчёта НДС проводился для двух наиболее опасных моментов времени (рис. 4-7). Первый момент времени соответствует моменту завершения возведения плотины, до начала наполнения водохранилища. НДС плотины в этот момент времени характеризуется максимальными по величине осадками сооружения. Эти осадки представляют опасность для противофильтрационной диафрагмы, т. к. вызывают её сжатие в вертикальном направлении.
Второй момент времени соответствует моменту времени после окончания наполнения водохранилища. В этот момент времени НДС плотины характеризуется её смещениями в сторону нижнего бьефа. Для противофильтрационной диафрагмы опасность представляют деформации изгиба, которые возникают при смещениях плотины.
Расчёты позволили выявить основные особенности НДС противофильтрационной диафрагмы. Основная особенность состоит в том, что условия работы ярусов диафрагмы
сильно различается. Только верхний ярус находится в благоприятном напряжённом состоянии, напряжения ау в нём невелики.
Условия работы нижних ярусов больше похожи на работу «стены в грунте», возводимой в основании грунтовой плотины. Под действием веса плотины, наращиваемой при строительстве, грунт вокруг стены оседает, передавая на стену сжимающие усилия. Самые максимальные по величине вертикальные сжимающие напряжения ау диафрагма испытывает в момент завершения строительства плотины.
При применении литого глиноцементобетона (вар. №1) вертикальные напряжения ау не превысят его прочность на сжатие, определённую с учётом влияния бокового обжатия (рис. 4в). Использование более жёсткого материала (вар. №2) вызывает появление в двух нижних ярусах таких сжимающих напряжений ау, которые превышают прочность глиноцементобетона на одноосное сжатие (рис. 5в). При применении в качестве материала стены бетона его прочность на сжатие в среднем, а особенно в нижнем ярусе не будет обеспечена (рис. 6в).
1.2 -12.9 убб9
0.0 -0.1 -1.6 -1.6
а) б) в) г)
Пунктирной линией обозначено примерное распределение прочности на сжатие
Рисунок 4. НДС диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1) на момент завершения строительства плотины: а - смещения (см); б - осадки (см); в, г - вертикальные напряжения ау (МПа); в - на верховой грани; г - на низовой грани (получено авторами)
¿0_-1.1_ у 669
-1.81 0.8 ■0.3 .26.1 U.6 -12,1 Vi i i i t t 1 .1.6 у ■5.0 M ■6.0 Щ -0.3 -0.3 ,-0.6 -0.6, у 610 | -4.5 ■5.8
: 6.7 -26.4^— -9.3 у 600 lk-9.3
5.8 -19.5V \ -9.1 =i= у 577.5 —»— -9 0
u.
0.0 -0.2 -3.3 -12.5
а) б) в) г)
Условные обозначения см. на рис. 4
Рисунок 5. НДС диафрагмы из пластичного бетона (вариант №2) на момент завершения строительства плотины (получено авторами)
в)
г)
а) б)
Условные обозначения см. на рис. 4
Рисунок 6. НДС диафрагмы из бетона (вариант №3) на момент завершения строительства плотины (получено авторами)
По результатам расчётов были построены обобщающие графики, выражающие зависимость максимальных сжимающих напряжений в диафрагме от соотношения модуля деформации материала стены Ест и модуля деформации грунта ЕТр (рис. 7).
1 10 100 1000 Рисунок 7. Изменение значений максимальных сжимающих напряжений оу в зависимости от соотношения модуля деформации стены Ест и модуля деформации грунта Егр (получено авторами)
Для описания характера этой зависимости была использована степенная формула, предложенная в [21]:
а V = Р
( \п Ест E
В этой формуле: р - вертикальная нагрузка от веса сооружения на диафрагму; п - эмпирический показатель степени.
Применение этой аппроксимирующей формулы осложняется несколькими факторами. Во-первых, нагрузка р от веса сооружения не является константой, она изменяется по высоте стены. Во-вторых, тело плотины неоднородно по своему строению и деформируемости. Хотя стена выполнена в гравийно-песчаном слое, её деформации в большей степени определяются гравийно-галечниковым грунтом упорных призм. В-третьих, в данном расчёте модуль деформации не является константой. Тем не менее, степенная формула хорошо описывает начальную, нижнюю часть графика. Для среднего яруса в качестве р было принято давление у подошвы яруса (примерно 1 МПа), а для нижнего яруса - давление у подошвы плотины (1,4 МПа). Для среднего яруса было принято Е = 60 МПа, для нижнего - 50 МПа.
Степенная зависимость хорошо описывает оба графика и может быть использована для расчёта на предварительных стадиях проектирования. Показатель степени п был получен равным 0,64 (рис. 7).
По результатам расчётов, после наполнения водохранилища происходят некоторые изменения в НДС диафрагмы. Во-первых, они выражаются в уменьшении осадок диафрагмы и вертикальных сжимающих напряжений Оу в ней. Это связано с переходом грунта верховой упорной призмы во взвешенное состояние (рис. 8). Во-вторых, происходят смещения плотины и диафрагмы в сторону нижнего бьефа (рис. 9-11а).
НПУ 667 V 669
У 610 ■
--::>- у 6oo
V 577,5
шкала напряжений су [МПа]
-2,0 -1,8 -1,6 -1,4 -1,2 -1.0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0.6 0,8 1,0
Рисунок 8. Напряжения оу в теле плотины после наполнения водохранилища (получены авторами)
Однако указанные изменения не столь существенны. При использовании в диафрагме глиноцементобетона (вар. №1, №2) эти изгибные деформации не вызывают появления в ней растягивающих напряжений Оу (рис. 9-10в,г). Более того, происходит даже некоторое улучшение НДС диафрагмы, т. к. увеличивается запас прочности на сжатие. Оно объясняется двумя причинами. Во-первых, уменьшением сжимающих напряжений Оу, а, во-вторых, повышением прочности глиноцементобетона на сжатие. Прочность на сжатие увеличивается благодаря обжатию диафрагмы гидростатическим давлением и давлением грунта (рис. 12).
В диафрагме, выполненной из бетона (вариант №3), деформации изгиба вызывают в верхней части второго яруса появление растягивающих напряжений оу (рис. 11в,г). Они достигают 4,5 МПа. Таким образом, не будет обеспечена прочность бетона ни сжатие, ни растяжение.
13.1 -7.0 V7669
0.1 -0,1 1.3 -1.8
а) б) в) г)
Пунктирной линией обозначено примерное распределение прочности на сжатие
Рисунок 9. НДС диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1) на момент окончания наполнения водохранилища: а - смещения (см); б - осадки (см); в, г - вертикальные напряжения Оу (МПа); в - на верховой грани; г - на низовой грани (получено авторами)
а) б) в) г)
Условные обозначения см. на рис. 9
Рисунок 10. НДС диафрагмы из пластичного бетона (вариант №2) на момент окончания наполнения водохранилища (получено авторами)
в)
г)
а) б)
Условные обозначения см. на рис. 9
Рисунок 11. НДС диафрагмы из бетона (вариант №3) на момент окончания наполнения водохранилища (получено авторами)
Рисунок 12. Напряжения Ох в теле плотины после наполнения водохранилища (получены авторами)
Таким образом, многоярусная диафрагма может быть надёжным противофильтрационным элементом высокой грунтовой плотины только при условии применения в качестве её материала литого глиноцементобетона. Более тщательный анализ, с рассмотрением промежуточных вариантов материала стены, показал, что модуль деформации глиноцементобетона не должен превышать 200 МПа.
03SAVN518
Отдельно необходимо рассмотреть работу глиноцементобетонных «замков», которые соединяют между собой ярусы диафрагмы. Замки представляют собой плиты толщиной 1 м и шириной 2,4 м. Широкая плита необходима для того, чтобы обеспечить соединение ярусов даже в случае, если в процессе создания буронабивных свай отклонится от своей вертикальной оси (отклонение может превышать 1 % от высоты сваи [9]). Каждый из замков устраивается после того, как завершается возведение ниже расположенного яруса диафрагмы, путём уширения его оголовка. В последующем при устройстве выше расположенного яруса, буронабивные сваи углубляются в замок на 30 см.
Расчёты выявили, что «замки» могут быть недостаточно надёжными. В них могут возникать растягивающие напряжения Ох в горизонтальном направлении (рис. 13, 14). Причин образования растягивающих напряжений две. Первая причина - это деформации изгиба, которые возникают в плите замка из-за неравномерного распределения осадок. Средняя часть плиты, опирающаяся на глиноцементобетонную стену, имеет меньшие осадки, чем свободные края плиты, оседающие вместе с грунтовой плотиной. Вторая причина - это деформации расширения тела плотины при восприятии ею собственного веса. Максимальные по величине растягивающие напряжения возникают в верхней части плиты «замка».
Плита верхнего «замка» (между вторым и третьим ярусами диафрагмы) менее надёжна, чем нижняя (между первым и вторым ярусами диафрагмы). После возведения третьего яруса диафрагмы растягивающие напряжения ох в плите замка достигают 0,33 МПа (рис. 13б). В плите верхнего «замка» растягивающие напряжения Ох величиной до 0,08 МПа возникают только в момент завершения создания второго яруса диафрагмы (рис. 14в), а после наполнения водохранилища они исчезают (рис. 14в).
Возникновение в глиноцементобетонных замках растягивающих напряжений может нарушить их целостность и водонепроницаемость. По данным А.В. Радзинского [20] среднее значение прочности глиноцементобетона на растяжение примерно в 4 раза меньше прочности на сжатие, т. е. для данного состава составляет примерно 0,3 МПа. Есть вероятность нарушения прочности на растяжения. Для повышения прочности глиноцементобетона можно использовать полимерную фибру.
Для повышения надёжности работы диафрагмы следует стремиться к сокращению ширины соединяющей плиты, чтобы она не испытывала деформации изгиба при совместной работе с грунтом тела плотины. Но всё же плиты «замков» являются уязвимым местом конструкции плотины с многоярусной диафрагмой. Необходимы дополнительные исследования для обоснования работоспособности рассматриваемой конструкции.
Рисунок 13. Распределение напряжений в верхнем «замке» диафрагмы: а, в - напряжения Ох; б, г - напряжения Ох; а, б - на момент времени до создания третьего яруса диафрагмы; в, г - на момент времени после создания третьего яруса диафрагмы (получены авторами)
Рисунок 14. Распределение напряжений в нижнем «замке» диафрагмы: а, в, д - напряжения Ох; б, г, д - напряжения Ох; а, б - на момент времени до создания второго яруса диафрагмы; в, г - на момент времени создания второго яруса диафрагмы; д, е - после завершения наполнения водохранилища (получено авторами)
Ещё одной из возможных причин нарушения работоспособности конструкции грунтовой плотины с многоярусной диафрагмой, выполненной методом «стена в грунте», является возможность нарушения целостности вертикальных швов между отдельными буронабивными сваями. Для оценки вероятности такого сценария были проведены исследования НДС плотины в пространственных условиях.
Расчёты позволили выявить, что НДС грунтовой плотины в условиях узкого створа сильно отличается от плоского. Контакт со скальным грунтом как правило остаётся прочным и ограничивает осадки и смещения плотины. Соответственно уменьшаются осадки, смещения и перемещения диафрагмы (рис. 15-16а,б; 17-19). В диафрагме варианта №1 это уменьшение произошло почти на 40 %. Уменьшение деформаций благоприятно сказалось на напряжённом состоянии диафрагмы - уровень вертикальных сжимающих напряжений Оу снижается примерно на треть (рис. 15-16в,г).
а) б) в) г)
Зелёным цветом обозначено НДС для плоской задачи, оранжевым - для пространственной задачи. Пунктирной линией обозначено примерное значение прочности на сжатие
Рисунок 15. НДС диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1) на момент завершения строительства: а - смещения (см); б - осадки (см); в, г - напряжения Оу (МПа); в - для верховой грани; г - на низовой грани (получены авторами)
а) б) в) г)
Синим цветом обозначено НДС для плоской задачи, красным - для пространственной задачи. Пунктирной линией обозначено примерное значение прочности на сжатие
Рисунок 16. НДС диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1) на момент окончания наполнения водохранилища: а - смещения (см); б - осадки (см); в, г - напряжения Оу (МПа); в - для верховой грани; г - на низовой грани (получены авторами)
Однако влияние пространственных условий имеет и негативное влияние на НДС диафрагмы. Из-за зависания на скальных бортах осадки плотины и стены распределены неравномерно по длине створа (рис. 17). Неравномерно распределены и горизонтальные смещения диафрагмы (рис. 18). Всё это говорит о том, что диафрагма изгибается в двух направлениях как пластина, закреплённая по трём сторонам. Это вызывает появление её перемещений и в направлении от бортов к руслу (рис. 19).
Рисунок 17. Осадки Ц верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения водохранилища (получены авторами)
Шкала перемещений - на рис. 17
Рисунок 18. Смещения их верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения водохранилища (получены авторами)
Рисунок 19. Перемещения иг верховой грани диафрагмы из литого
глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
В варианте №1 наиболее явно смещения Их проявляются в нижних ярусах диафрагмы. Они невелики по величине (до 5 см) (рис. 19б), однако вызывают появление в диафрагме растягивающих напряжений Ох в направлении от борта к борту (рис. 20).
Область растягивающих напряжений Ох невелика по размерам, она располагается в верхней части прибортовой зоны второго яруса диафрагмы (рис. 21). Растягивающие напряжения Ох не превышают 0,1 МПа на момент завершения строительства плотины и 0,3 МПа в момент окончания наполнения водохранилища. В локальных зонах можно ожидать раскрытия строительных швов между отдельными сваями. В остальных областях напряжения Ох -сжимающие. Они достигают 1 МПа (рис. 21).
Напряжения Ох (рис. 22) в диафрагме всегда сжимающие и близки по величине к Ох.
Самый большой уровень сжатия в диафрагме наблюдается в вертикальном направлении. (рис. 23). Напряжения Оу - сжимающие во всём объёме диафрагме. Они достигают 1,8 МПа и превышают прочность литого глиноцементобетона на одноосное сжатие (1,3 МПа).
Рисунок 21. Напряжения Ог на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Шкала напряжений - на рис. 21
Рисунок 22. Напряжения Ох на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Шкала напряжений - на рис. 21
Рисунок 23. Напряжения Оу на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения
Главные напряжения в диафрагме близки к осевым (рис. 24-26), т. к. как касательные напряжения невелики. Минимальные главные напряжения оз близки по величине к Оу,
максимальные 01 - к Ох. Диафрагма находится в состоянии всестороннего сжатия за исключением тех областей бортового примыкания второго яруса, где образуются растягивающие напряжения Ох.
Рисунок 24. Главные напряжения c1 на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства, б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Шкала напряжений - на рис. 24
Рисунок 25. Главные напряжения 02 на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Шкала напряжений - на рис. 24
Рисунок 26. Главные напряжения 03 на верховой грани диафрагмы из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Оценка прочностного состояния диафрагмы на сжатие производилась с учётом влияния бокового обжатия. Значения коэффициента запаса прочности были вычислены как отношение прочности Я с учётом обжатия к минимальному главному напряжению оз. В качестве обжатия использовалось максимальное главное напряжение 01. Было получено, что в большей части диафрагмы глиноцементобетон имеет запас прочности не ниже 2 (рис. 27). Наибольший запас прочности имеет третий ярус диафрагмы. После наполнения водохранилища коэффициенты запаса прочности (рис. 27б) несколько меньше, чем до него (рис. 27а).
а) б)
V 669 V 669
1 1Д 1,2 1.3 1,5 2 3 4 5 8 10 20 50 100
Красным цветом обозначены области растяжения
Рисунок 27. Коэффициенты запаса прочности на сжатие на верховой грани из литого глиноцементобетона (вариант №1): а - на момент завершения строительства, б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Таким образом, при использовании в диафрагме литого глиноцементобетона (вариант №1) её НДС в целом является благоприятным, за исключением небольших зон бортового примыкания, где возможно раскрытие швов между сваями.
В варианте №7 (бетон) учёт пространственных условий привёл к резкому улучшению НДС диафрагмы. Во-первых, резко снизились сжимающие усилия. В пространственной задаче сжимающие напряжения оу оказались меньше, чем в плоской. Они не превысили 20,8 МПа (рис. 29). Во-вторых, резко уменьшились прогибы диафрагмы (до 10 см, рис. 28б) и соответственно деформации её изгиба. Уменьшение изгибных деформаций снивелировало различие между напряжениями на верховой и низовой гранях. Растягивающих напряжений оу в диафрагме не возникло.
Однако, напряжённое состояние в направлении от борта к борту оказалось неблагоприятным. Растягивающие напряжения Ох возникли в первом и втором ярусах (рис. 30). Они достигают 12 МПа, а в зонах концентрации и 17 МПа. При таких напряжениях следует ожидать раскрытия швов между сваями. За счёт наличия в бетоне касательных область растягивающих напряжений главным напряжениям 01 охватывает гораздо большую область диафрагмы (рис. 31).
По этой же причине минимальные главные напряжения оз превосходят Оу и достигают 29 МПа (рис. 32).
Рисунок 28. Смещения верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения водохранилища (получены авторами)
Рисунок 29. Напряжения Оу на верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Шкала напряжений - на рис. 29
Рисунок 30. Напряжения Ог на верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства, б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
-30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 Рисунок 31. Главные напряжения о1 на верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
-30 -27 -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 Рисунок 32. Главные напряжения оз на верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства, б - на момент окончания наполнения (получены авторами)
Вычисление коэффициента запаса прочности на сжатие как отношения напряжения оз к прочности бетона на одноосное сжатие (17 МПа) показало, что практически во всём нижнем ярусе прочность на сжатие не обеспечивается (рис. 33).
1 1,1 1,2 1.3 1,5 2 3 4 5 8 10 20 50 100 Рисунок 33. Коэффициенты запаса прочности на сжатие на верховой грани диафрагмы из бетона (вариант №7): а - на момент завершения строительства; б - на момент окончания наполнения (получена авторами)
Выводы
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Водонепроницаемость многоярусной диафрагмы может быть нарушена за счёт образования растягивающих напряжений в глиноцементобетонных плитах, соединяющих ярусы диафрагмы. Для повышения надёжности работы диафрагмы следует стремиться к сокращению ширины соединяющей плиты, чтобы она не испытывала деформации изгиба при совместной работе с грунтом тела плотины.
2. В условиях узкого створа НДС диафрагмы из буронабивных свай по многим параметрам становится более благоприятным, чем в плоских условиях, когда створ был бы бесконечно широким. Это объясняется изменением граничных условий - наличием контакта тела плотины с прочными скальными бортами. За счёт этого уменьшаются перемещения и деформации диафрагмы.
3. При работе диафрагмы в условиях узкого створа возникает опасность раскрытия вертикальных технологических швов между буронабивными сваями. Она проявляется в тех зонах диафрагмы, которые непосредственно примыкают к скальным бортам. В этих зонах должна быть предусмотрена возможность восстановления водонепроницаемости противофильтрационной защиты, например, путём инъекции цементно-песчаных или иных растворов.
4. При выполнении диафрагмы из пластичного глиноцементобетона её НДС характеризуется благоприятным состоянием всестороннего сжатия (за исключением локальных зон). За счёт обжатия горизонтальными напряжениями обеспечивается прочность глиноцементобетонной диафрагмы на сжатие.
5. Главное условие надёжности диафрагмы в теле грунтовой плотины - это приближённость её материала по деформируемости к грунту тела плотины. Только при использовании «мягкого», пластичного грунтоцементобетона может быть обеспечена прочность многоярусной диафрагмы на сжатие. Выполнение многоярусной диафрагмы из бетона недопустимо, т. к. вследствие деформаций сжатия и изгиба, будет нарушена её прочность как на сжатие, так и растяжение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Радченко В.Г., Лопатина М.Г., Николайчук Е.В., Радченко С.В. // Опыт возведения противофильтрационных устройств из грунтоцементных смесей // Гидротехническое строительство. 2012. №12. С. 46-54.
2. Баранов А.Е. Из опыта проектирования и строительства Юмагузинского гидроузла на р. Белой // Вестник МГСУ. 2006. №2. С. 112-122.
3. Mirghasemi A.A., Pakzad M., Shadravan B. The world's largest cutoff wall at Karkheh dam. Hydropower & Dams Issue Two. 2005. Pp. 2-6.
4. Ehrhardt, T., Scheid, Y., El Tayeb, A. Entwurf und ausfuhrung der steinschuttdamme und der schlitzwand des Merowe-Projektes. Wasserwirtschaft. 2011. No.101(1-2). Pp. 36-42.
5. Noll, H., Langhagen, K., Popp, M., Lang, T. Rehabilitation of the Sylvenstein earth-fill dam - Design and construction of the cut off wall [Ertuchtigung des Sylvenstein-Staudamms - Planung und Ausfuhrung der Dichtwand]. Wasserwirtschaft. 2013. No.103(5). Pp. 76-79.
6. Vaughan P.P., Kluth D.J. et al. Cracking and erosion of the rolled clay core of Balderhead dam and the remedial works adopted for its repair // 10-th ICOLD Congress. 1970. Q.36, R.5. Pp. 73-93.
7. Bellport B.P. Bureau of reclamation experience in stabilizing embankment of Fontenelle earth dam // 9-th ICOLD Congress. 1967. Q.32, R.5. pp. 67-79.
8. Малышев Л.И., Рассказов Л.Н. Состояние плотины Курейской ГЭС и технические решения по её ремонту // Гидротехническое строительство. 1999. №1. С. 31-36.
9. Малышев Л.И., Шишов И.Н., Кудрин К.П., Бардюгов В.Г. Технические решения и результаты работ по сооружению противофильтрационной стены в грунте в ядре и основании Курейской ГЭС // Гидротехническое строительство. 2001. №3. С. 31-36.
10. Lorenz W., List F. Application of the trench diaphragm method in constructing the impervious core of dams consisting in part of the low-grade fill material // 12-th ICOLD Congress. 1976. Q.44, R.6, Mexico. Pp. 93-104
11. Strobl T., Shmid R. Wadi Hawashinah dam. Oman. Groud Water recharge dam to stop salt water instrusion. Strabag. Dam engineering in Kenya, Nigeria, Oman and Turkey. Brochure №52. Cologne. April 1997. Pp. 67-68.
12. Королёв В.М, Смирнов О.Е., Аргал Э.С., Радзинский А.В. Новое в создании противофильтрационного элемента в теле грунтовой плотины // Гидротехническое строительство. 2013. №8. С. 2-9.
13. Саинов М.П., Котов Ф.В. Оценка надежности диафрагмы из буронабивных свай в плотине средней высоты // Вестник МГСУ. 2014. №1. С. 153-163.
14. Рассказов Л.Н., Радзинский А.В., Саинов М.П. Плотина высотой 100 м с глиноцементобетонной диафрагмой по типу "стена в грунте" // Вестник МГСУ. 2014. №9. С. 106-115.
15. Саинов М.П. Пространственная работа диафрагмы из буронабивных свай в теле каменной плотины // Приволжский научный журнал. 2014. №3. С. 43-47.
16. Прокопович В.С., Величко А.С., Орищук Р.Н. Напряженно-деформированное состояние земляной плотины с глиноцементобетонной диафрагмой (На примере земляной плотины Гоцатлинской ГЭС) // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2016. Том 282. С. 87-98.
17. Саинов М.П. Вычислительная программа по расчету напряжённо-деформированного состояния грунтовых плотин: опыт создания, методики и алгоритмы // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 2013. Volume 9. Issue 4. С. 208-225.
18. Рассказов Л.Н., Джха Дж. Деформируемость и прочность грунта при расчете высоких грунтовых плотин // Гидротехническое строительство. 1987. №7. С. 3136.
19. Саинов М.П. Пространственная работа противофильтрационной стены // Инженерно-строительный журнал. 2015. №5. С. 20-33.
20. Рассказов Л.Н., Радзинский А.В., Саинов М.П. Прочность и деформируемость глиноцементобетона в сложном напряженном состоянии // Гидротехническое строительство. 2014. №8. С. 29-33.
21. Саинов М.П. Приближенный прогноз прочности противофильтрационной стены в основании плотины // Научное обозрение. 2017. №4. С. 34-38.
Sainov Mikhail Petrovich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Kotov Filipp Viktorovich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Moscow, Russia
E-mail: [email protected]
Workability of embankment dam with multi-layer diaphragm constructed by «cutoff wall method»
Abstract. One of new types of embankment dam structural design is the structure with a multilayer diaphragm made of bore piles. The urgent issue is design validation of possible use of this structure.
Validation of the dam design was carried out by numerical modeling of its stress-strain state. Studies were conducted in 2D and 3D formulations. Consideration was made of construction sequence and non-linearity of contact interaction between soil and non-soil structures. Several alternatives of the diaphragm material were considered: from liquid clay-cement concrete to concrete.
Seepage-control diaphragm made of bore pipes may be in favorable stress-strain state only if its material by its deformation approximates the dam soil. It is recommended to make the diaphragm of liquid clay-cement concrete. In this case the most part of the diaphragm will be subject to compressive stresses even in conditions of bending deformations. Due to lateral compression by hydrostatic pressure and soil pressure the compressive strength of clay-cement concrete will be provided even in the diaphragm lower layer. Tensile stresses in the clay-cement concrete diaphragm appear only in direction from one side to the other. Construction joints between certain bore piles may open. The most vulnerable assembly of the multi-layer diaphragm structure is slabs of joints connecting the diaphragm layers and playing the role of hinges. As a result of appearance of tensile stresses they may be subject to formation of cracks.
Structural design of the dam with a multi-layer diaphragm made of bore piles at meeting a number of conditions is workable and have perspectives for its use. However, further studies of the dam structural design are required to provide guarantees of its safe operation, especially of assemblies connecting the diaphragm layers.
Keywords: embankment dam with diaphragm; cutoff wall; clay-cement; stress-strain state; numerical modeling
