CC BY
66
II университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х /_/ коммуникации
А. Л. Гольдин,
д-р техн. наук, проф., ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева;
М. А. Колосов,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
К. П. Моргунов,
канд. техн. наук, доц., СПГУВК
РАСЧЕТ ОСАДОК И КРЕНОВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ СЕКЦИИ ШЛЮЗА № 5 ВОЛГО-ДОНСКОГО СУДОХОДНОГО КАНАЛА
CALCULATION FOR SETTLEMENT AND SLANT OF CENTRAL PART OF HYDRAULIC LOCK № 5 OF VOLGA-DON INLAND NAVIGATION CHANNEL
В статье приведен расчет методом конечных элементов перемещений (осадок и кренов) бетонной секции шлюза при проникновении воды из камеры в грунт основания. Показано качественное совпадение результатов расчета с данными натурных наблюдений.
Finite element computation is given for determination of displacement (settlement and slant) of concrete section of hydraulic lock due to the penetration of water from lock to soil of foundation. The coincidence of theoretical calculation and full-scale experiment has been shown.
Ключевые слова: шлюз, фильтрация, грунты, конечно-элементная схема, осадки, крены.
Key words: Hydraulic lock, seepage, soils, finite element chart, settlement, slant.
СЕРЕДИНЫ 2005 г. службой наблюдений и измерений Волго-Донского судоходного канала (ВДСК) зафиксирован значительный рост взаимных перемещений центральных секций шлюза № 5. Шлюз бетонный, однониточный, однокамер -ный со стандартного размера камерой 155*18 м с разрезным днищем, камера шлюза состоит из семи секций, находящихся в засыпке из песчаных грунтов. Взаимные перемещения IV и V секций стали приобретать скачкообразный резко нарастающий характер. По ще-лемерным наблюдениям произошли скачки от 15,0 до 25,0 мм. В межнавигационный период 2006-2007 гг. в осушенной камере было обнаружено частичное разрушение продольной шпонки IV секции и грифоны с выносом песчаного грунта на секциях IV и V. Восстановление днищевой шпонки и проведение небольшой цементации под основание камеры не привело в итоге к стабилизации положений полусекций, деформации продолжились.
Анализ результатов натурных наблюдений за весь период эксплуатации шлюза (с 1952 г.) позволяет высказать предположение,
что аномальные перемещения связаны, по всей видимости, с изменением грунтовых условий в основании секций. В качестве рабочей гипотезы было принято, что изменение грунтовых условий связано с нарушением продольной, а возможно и поперечных шпонок в днище шлюза, это привело к проникновению воды из камеры шлюза в грунт под днищем шлюза и последующей суффозии мелкозернистого песка и супеси из основания.
В основании камеры шлюза залегают легкие водоносные супеси нижнебакинского горизонта. Большая часть днища камеры врезается в толщу легких пылеватых водонасы-щенных песков. Выше залегают пески современного аллювия с прослойками и линзами суглинков и глин мягкопластичной консистенции. Такие грунты имеют значительные коэффициенты фильтрации, что способствует быстрому распространению воды в толще грунта.
По данным паспорта шлюза, коэффициенты фильтрации равны:
— для разнозернистых песков аллювия — Кф = 0,0109 см/с (9,35 м/сут);
— для мелкозернистых пылеватых песков — Кф = 0,0033 см/с (2,9 м/сут).
Суффозии песков в камеру через разрушенную днищевую шпонку существенно способствует режим работы шлюза, обусловленный регулярным наполнением и опорожнением камеры. В соответствии с паспортом шлюза № 5 наполнение и опорожнение камеры занимает менее десяти минут, при этом напор меняется примерно на 9,5 м. Иными словами, цикл наполнение-опорожнение занимает около 15-20 минут и может рассмат-
риваться как своеобразный «насос», создающий, при наличии гидравлической связи между камерой шлюза и водонасыщенными грунтами основания, значительные фильтрационные градиенты в грунтах основания секций IV и V, превосходящие их критические значения (1ег,ш = 0,32 для мелкозернистых песков).
Для подтверждения взаимосвязи между деформациями камеры и разуплотнением грунтов основания было решено провести расчет осадок и кренов центральной секции
Рис. 1. Расчетная схема шлюза
<ч ж
Рис. 2. Расчетная схема с полостями в основании
шлюза и сопоставить расчетные данные с результатами натурных наблюдений.
На рис. 1 представлен поперечный разрез секции шлюза. Расчетная схема включает следующие расчетные области: I — бетонные стены и днище шлюза, II — грунтовая засыпка из песка, III — основание шлюза (верхний слой — супесь), IV — основание шлюза (нижний слой — глина), V и VI — вода в шлюзе (уровень 26-27 соответствует наполнению камеры шлюза, то есть уровню верхнего бьефа (В. Б.), уровень 25-28 соответствует опорожнению камеры шлюза, то есть уровню нижнего бьефа (Н. Б.)). Разность между уровнями 26-27 и 25-28 составляет 9,45 м при отметках В. Б. 45,40 м и Н. Б. 35,95 м.
На рис. 2 представлена расчетная схема шлюза с полостями в основании, примыкающими к центральному открытому шву между левой и правой частями камеры шлюза. При расчетах последовательно определялись осадки и смещение стен шлюза при отсутствии грунта в областях abcd (маленькая полость),
' 7 ' ' / \ # j ff ff iff
a b c d (средняя полость) и a b c d (большая полость).
При расчетах рассматривалась плоская задача для линейно-упругих тел. В соответствии с проектными данными инженерных изысканий и уточненными данными, полученными в период строительства шлюза, были приняты показатели физико-механических характеристик материалов, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Показатели физико-механических характеристик материалов
Е, кг/см2 v у, т/м3
Бетон 210 000 0,25 2,40
Песок 120 0,28 1,50
Супесь 32 0,30 1,40
Глина 80 0,35 1,65
Рис. 3. Конечно-элементная схема разбиения расчетной области
В табл. 1: E — модуль упругости, v — коэффициент Пуассона, у — объемный вес материалов.
Вес воды учитывался приложением гидростатической нагрузки на участках 10, 25, 26; 15, 28, 27; 10, 11 и 14, 15 (на первых двух — треугольной нагрузки, на третьем и четвертом — трапецеидальной).
При расчетах по программе АBAQUS (Standard) использовалась конечно-элементная схема разбиения расчетной области (рис. 3) при следующих граничных условиях: на границах 1, 2, 3 и 22, 23, 24 принимались условия скользящей заделки, то есть отсутствие перемещений по оси Y (горизонтальная ось), на нижней границе расчетной области 1, 24 принимались условия жесткой заделки, то есть отсутствие перемещений как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях (по оси X и Y).
Для оценки влияния выноса грунта из основания шлюза через разрушенную продольную шпонку в центре днища камеры было выполнено шесть вариантов расчетов:
1) учитывается вес бетона камеры, вес грунтов основания и засыпки не учитываются;
2) учитывается вес бетона камеры и вес грунта засыпки, вес грунтов основания не учитывается;
3) учитывается вес бетона, вес засыпки и вес воды, заполняющей камеру;
4) учитываются все нагрузки (бетон, засыпка, вода) и наличие «малой» полости в основании, которая заполнена водой;
<ч ж
5) учитываются все нагрузки и наличие «средней» полости в основании;
6) учитываются все нагрузки и наличие «большой» полости в основании.
Сопоставление результатов расчетов осадок и горизонтальных смещений стен и днища камеры (для сопоставления выбраны точки 6, 10 и 11) по вариантам 1 и 2, 2 и 3 позволяет при необходимости определить влияние на перемещение стен и днища шлюза боковой засыпки и заполнение камеры водой, а сопоставление данных расчетов по варианту 3 с данными расчетов по вариантам 4, 5 и 6 позволяет выявить влияние появления каверн разного размера в основании шлюза на смещение его стен.
Конечно-элементная дискретизация расчетных областей представлена на рис. 4, 5 и 6.
Отметим при этом, что при расчетах конечно-элементные сетки для повышения точности вычислений были существенно изменены в сторону уменьшения размеров элементов (сравнить рис. 4 с рис. 5-6).
Результаты расчетов по перемещениям фиксированных точек представлены на рис. 7. В качестве фиксированных точек выбраны точки 6, 10 и 11, поскольку их перемещения позволяют судить о характере осадок и горизонтальных смещений стен шлюза и его днища.
При этом смещение шлюза (на рисунке левой половины его секции) может рассматриваться как смещение жесткого сооружения. Общие смещения точек 6, 10 и 11 от положения 1, соответствующего построенному шлюзу в момент завершения строительства, в поло-
Рис. 4. Конечно-разностная дискретизация расчетных областей (малая полость)
Рис. 5. Конечно-разностная дискретизация расчетных областей (средняя полость)
Рис. 6. Конечно-разностная дискретизация расчетных областей (большая полость)
жение 2 связаны с засыпкой стен шлюза, из положения 2 в положение 3 — с заполнением шлюза водой, а перемещения точек из поло-
II университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х /_/ коммуникации
жения 3 в положения 4, 5 и 6 — с образовани- Полученные в расчетах по всем шести ва-
ем под днищем шлюза «малой», «средней» и риантам осадки и горизонтальные перемещения «большой» полостей. фиксированных точек представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов перемещений контрольных точек
№ п/п Вариант счета Точка 6 Точка 10 Точка 11
Цу (см) Цх (см) Цу (см) Цх (см) Цу (см) Цх (см)
1 Вес шлюза (мгновенное возведение) -5,8 -19,7 -0,55 -19,8 -0,07 -21,3
2 Вес шлюза и засыпки 2,4 -45,5 2,4 -45,5 0 -44,5
3 Вес шлюза, засыпки и воды в шлюзе на АВБ (все нагрузки) 8,5 -44,4 0,7 -44,2 -0,1 -41,2
4 Все нагрузки и «малая» полость 25,0 -42,0 9,6 -41,6 8,4 -47,7
5 Все нагрузки и «средняя» полость 15,8 -47,3 6,1 -47,0 5,3 -41,4
6 Все нагрузки и «большая» полость 7,5 -56,0 13,3 -56,0 13,7 -5,9
Примечание к табл. 2.
1. В табл. Их — вертикальные перемещения точек 6, 10 и 11 (осадки);
Цу — горизонтальные перемещения точек.
2. Знак (+) у горизонтальных перемещений означает перемещение в сторону обратной засыпки шлюза, знак (-) у вертикальных перемещений означает осадки точек.
Заметим, что размеры полостей в основании центральной части шлюза приняты безотносительно к каким-либо натурным данным, приведенные расчеты позволяют понять механизм осадок и перемещений секции шлюза при вымыве грунта из основания при разрушении продольной шпонки.
Результаты расчетов, которые приведены на рис. 7, показывают перемещения стен и днища шлюза в характерных точках 6, 10 и 11 после поэтапного применения нагрузок и последовательного вымыва грунта из основания. Как следует из рис. 7, после устройства песчаной засыпки стен шлюз получает дополнительную осадку, а точки 6, 10 и 11 перемещаются в сторону засыпки (точка 6 имеет максимальное горизонтальное перемещение, точка 11 — минимальное). При заполнении шлюза водой осадка шлюза практически не изменяется, но горизонтальные перемещения указывают на наклон стен к центру шлюза (точка 6 смещается больше точки 10). При образовании каверн в центре основания под днищем шлюза происходят перемещения фиксиро-
ванных точек по сложным траекториям. Так верх стены шлюза (точка 6) по мере роста каверны получает дополнительную осадку
Рис. 7. Смещение точек секции камеры шлюза
II университета
'ЖУРНАЛ водн ы х / / коммуникации
и начинает смещаться внутрь к центральной оси шлюза. Аналогичная ситуация имеет место и на поверхности днища шлюза, где точки 10 и 11 также получают дополнительную
осадку, но в основном в горизонтальной плоскости: смещаются при малых размывах в сторону центральной оси, а при «большой» каверне — в противоположную сторону, что, оче-
1970 1975 1930 1985 1990 1995 2000 2005 2008
■20
-40
М 123- марка между III и IV секциями
М 125-марка между IV и V секциями
Рис. 8. Осадки IV секции шлюза по маркам левой стороны
1970
о, , ,
1975
1830
1985
1390
1885
2000
2006 2003
-л-4-
-20
-40
<ч ж
М 124- марка между III и IV секциями
М 126- марка между IV и V секциями
Рис. 9. Осадки IV секции шлюза по маркам правой стороны
видно, связано с неравномерной осадкой шлюза и поворотом стенки шлюза как единого целого. Дополнительно в перемещение точек 6, 10 и 11 в натурных условиях вмешиваются температурные деформации бетона, поскольку выбранные для анализа точки находятся в разных температурных условиях, которые не учитываются в расчетах. Это обстоятельство требует учета при сопоставлении расчетных и натурных данных по перемещениям шлюза.
Сопоставление расчетных значений осадок и горизонтальных смещений стен шлюза проводилось по данным геодезических наблюдений для IV секции шлюза, которая к
// университета
[ЖУРНАЛ в о д н ы х /_/ коммуникации
настоящему времени получила наибольшие осадки и горизонтальные смещения.
Результаты измерений осадок четвертой секции шлюза по маркам на левой стороне секции, по данным нивелирных измерений с 1970 г., представлены на рис. 8, по маркам правой стороны — на рис. 9.
Из этих данных следует, что плавное нарастание осадок, связанное, очевидно, с ползучестью глинистых грунтов в основании шлюза, резко изменилось в сторону увеличения начиная со второй половины 2005 г.
В табл. 3 приведены данные натурных наблюдений по интенсивности осадок по левой и правой стороне шлюза № 5.
Таблица 3
Средняя интенсивность осадок, (мм/год) за период с 2004 по 2008 г.
ВГ I II III IV V VI VII НГ Средняя
Левая сторона -0,26 -0,13 -0,26 -1,79 -4,98 -4,72 -0,38 0,00 0,38 -1,35
Правая сторона -0,38 -0,38 -0,77 -6,38 -2,94 -0,38 -0,38 -1,66
ПДЗ -1,0 мм/год
Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что за последние годы возросла средняя интенсивность осадок, достигшая за период 2004-2008 гг. величин 4,98 мм/год и 6,38 мм/год соответственно для левой и правой частей четвертой секции. Абсолютные величины приращения осадок при этом достигли значений 27-28 мм в зоне примыкания IV секции к секции V.
Сравнение результатов расчета и данных натурных наблюдений показало, что качественное сходство расчетных и натурных данных по перемещениям стен шлюза возникает в варианте с «большой» каверной в центре основания под днищем камеры шлюза. Разница в численных значениях осадок и смещений обусловлена следующими факторами. Во-первых, принятые по проектным данным модули деформации грунтов в основании шлюза, по всей видимости, сильно занижены, поскольку при строительстве шлюза грунты
основания были значительно уплотнены весом шлюза и весом песчаной засыпки стен. Во-вторых, форма принятых пустот в основании шлюза и их размер приняты умозрительно и позволяют определять лишь тенденцию в деформациях камер шлюза в процессе вымы-ва центральной части основания.
И наконец, при проникновении воды из камеры шлюза через разрушенные шпонки в грунт под основание камеры совсем не обязательно образование там полостей. По всей видимости, происходит лишь существенное изменение реологических свойств грунтов — разуплотнение, водонасыщение и т. п.
Таким образом, в результате проведенных расчетов гипотеза о том, что рост осадок и горизонтальных перемещений стен шлюза связан с возникновением и развитием дефектов грунтового основания шлюза, получила качественное подтверждение.
