CC BY
79
БУД1ВНИЦТВО, РЕКОНСТРУКЦ1Я ТА ЕКСПЛУАТАЦ1Я КОНСТРУКЦ1Й I СПОРУД ЗАЛ1ЗНИЧНОГО
ТРАНСПОРТУ
УДК 627.824.04
Оглоблин В.Ф., к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Бадекин Ю.Н. (Донецкий филиал УкрНИИНТИЗ)
РЕКОНСТРУКЦИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Постановка проблемы. Современное проектирование грунтовых плотин сопряжено с углубленным анализом статической и динамической их работы. Создание математических моделей грунтовых плотин, использующих теорию пластичности, не учитывают влияние на деформируемость тела плотины продолжительности действия и скорости приложения нагрузки. На работу грунтовой плотины оказывает влияние фильтрационный поток, имеющий в начальный период эксплуатации ее неустановившийся характер. Расчет движения фильтрационного потока в теле плотины осложняется в силу некоторой неопределенности граничных условий и фильтрационной анизотропности свойств грунтов (1).
Грунтовые плотины являются довольно широко распространенным типом водоподпорных сооружений в различных климатических зонах. Их возведение приводит к образованию огромных водохранилищ, аварии которых могут иметь катастрофические последствия. Различия климатических, геологических, топографических, гидрогеологических, сейсмических условий определяют особенности конструкций этих сооружений.
При реконструкции существующих грунтовых плотин (увеличение зеркала водохранилища, подъем и уширение гребня плотины, устройства экрана и т.д.) весьма актуальным вопросом является оценка технического состояния. Эта оценка сопровождается изучением геологического строения основания, тела плотины и примыканий плеч плотины. При этом следует учитывать, что многие из них возводились без надлежащей
проектной документации. Практика эксплуатации таких сооружений указывает на то, что они ненадежны и недолговечны.
Целью настоящей работы явилась оценка технического состояния существующей грунтовой плотины, анализ напряженно-деформируемого состояния ее, что позволило бы определить необходимый комплекс защитных мероприятий для обеспечения ее эксплутационной пригодности.
Характеристика объекта и методика исследований. Поставленная цель реализовывалась по существующей грунтовой плотине в с. Мемрик Красноармейского района Донецкой области. Общее состояние этого гидротехнического сооружения требовало принятия ряда защитных мероприятий по усилению тела грунтовой плотины и повышению ее устойчивости.
Плотина возведена в 85-90 гг. По принятой в гидротехнике классификации рассматриваемая плотина грунтовая, насыпная, однородная, без ядра, экранов и диафрагм. По высоте гребня она относится к низким (Н < 25 м). Сведений о конструктивных особенностях плотины, методах ее возведения, составе грунтов в теле плотины, основании и примыкании плеч, способах уплотнения грунтов в теле плотины не имеется.
Приведенные обстоятельства существенным образом влияли на выбор методики исследований и анализ факторов, влияющих на работоспособность сооружения, выбор различных критериев оценки.
Для расчета устойчивости откосов требуется построение гидродинамической сетки движения фильтрационного потока и депрессионной поверхности; определение параметров фильтрационного потока; определение фильтрационных расходов через тело плотины. Этому этапу предшествует целый комплекс топогеодезических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрологических и обмерочных работ.
Основное содержание исследований. Для образования тела плотины протяженностью около 100м был использован местный материал вблизи створа. Грунты тела плотины представлены желто-бурыми лесовидными супесями и легкими суглинками мощностью 12-14 м, подстилаемые на указанной глубине, по всей вероятности, отложениями каменноугольной системы. Промеры глубин водохранилища указывают на то, что максимальные глубины его приурочены к центральной части и не превышают 5-5,5 м. Ширина по гребню плотины составляет 6-10 м. Высота плотины со стороны нижнего бьефа составляет 12 м. Общий вид плотины приведен на рисунке 1.
1 - тело плотины
2 - контрбанкет
3 - подпорная стенка
4 - кривая депрессии
Рисунок 1 - Общий вид плотины
В процессе проведения исследований и обмерочных работ было установлено, что как со стороны верхнего бьефа, так и со стороны нижнего бьефа имеют место фильтрационные деформации тела плотины в виде так называемого фильтрационного выпора (выноса) со стороны нижнего бьефа и фильтрационного размыва вследствие волновой деятельности со стороны верхнего бьефа. По результатам проведенных наблюдений величина фильтрационного размыва (интенсивность) составляет 0,3-0,6 м в год, что требует немедленного закрепления верхнего откоса. Заложение нижнего откоса плотины составляет 1-1,5. Опыт же строительства и проектирования земляных насыпных плотин из песчаных и глинистых грунтов указывает на то, что заложение нижнего откоса следует принимать более пологим для плотин указанной высоты.
Для оценки фильтрационного режима в грунтовых плотинах используются как расчетные, так и экспериментальные методы. Расчетные методы разделяются на гидравлические и механические. Гидравлический метод расчета основан на использовании ряда приемов, упрощающих задачу. Эти приемы основываются на следующих положениях (2).
1. Фильтрационный поток предполагается плавноизменяющимся, криволинейные очертания эквипотенциалов в низовой призме однородной плотины могут быть заменены вертикальными линиями. Для фильтрационного потока в двух вертикальных сечениях применяется известная в гидравлике формула Дюпюи. Для простейшего прямоугольного сечения (рисунок 2а) кривая депрессии является кривой спада, а расход определяется формулой
V Н д = К
Н 2
ф
2 Ь
(1)
а глубина фильтрационного потока находится из выражения
Ну =у1 Н2 + (Н2 - Н22)X /ь,
(2)
где Ь - расстояние между рассматриваемыми сечениями.
] а
ш
^ Кф-Кф1 / > ^
■■
Ь
а)
б)
Рисунок 2 - Схема фильтрации
2. При фильтрации потока через слои разной проницаемости можно ввести некоторые виртуальные области фильтрации. При этом ряд вертикальных слоев различной мощности можно заменить одним слоем толщиной й (рис. 2б). Это условие принимается и для ряда горизонтальных слоев.
3. Верховой клин плотины может быть заменен эквивалентным прямоугольным массивом (рис. 3). В случае, если плотина и основание имеют одинаковый коэффициент фильтрации, ширина эквивалентного массива вэк с достаточной степенью точности может быть принята равной 0,4 Н]. При крутом верховом откосе (т] < 2)
т,
1 + 2т1
Н
(3)
где т] - заложение верхового откоса.
4. Промежуток высачивания Д в области низового клина (при кф плотины = кф основания) приближенно рассчитывается по формуле:
Д=12
А + 7^404^
(4)
в
экв
где
А = 0,5
дт2
1 +
0,4
т
к
2
ч=
Н2 - н 22
2 ( + 0,4 Н1)
(5)
(6)
где ч - удельный расход; т2 - заложение низового откоса.
Рисунок 3 - Схема фильтрации в однородной плотине при замене верхового клина эквивалентным прямоугольным клином
Поперечный профиль плотины определяется заложением верхового и низового откоса, наличием берм, отметкой и шириной гребня плотины. Отметка гребня плотины определяется от нормального и форсированного уровня воды в водохранилище, а также исходя из расчетных значений элементов ветровых волн и конструктивных особенностей гребня плотины. Превышение отметки гребня плотины над статическим уровнем в водохранилище определяется выражением
й = Ак+кн + а, (7)
где Ак - высота ветрового нагона волны; кн - высота наката волны на откос; а - запас принимаемый не менее 0,5 м
X
Рисунок 4 - Схема к определению отметки гребня плотины
Проектом реконструкции плотины предусмотрено крепление откосов плотины для защиты их от волнового воздействия. Крепление откосов устраивается в зоне колебания воды. Верхняя граница основного крепления из бетонных или железобетонных плит должна соответствовать отметке наката. Нижняя граница основного крепления должна располагаться ниже отметки УМО на расстоянии двух-трех размеров высоты волны.
В качестве материала наброски предусмотрен природный камень значительной прочности (дсж > 50 МПа, Б > 50, у = 24 кН/м ). Расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия, рассчитывался из выражения
О-
м Гки2 л
(п / Го-1)^1
(8)
+
где М - коэффициент принимаемый для бетона равным 0,021, для каменной наброски - 0,025;
ук - удельный вес камня; ш - заложение откоса;
Нв и X - расчетные значения высоты и длины волны. Приняв Ь = 30 м, х = 10 м и Кф = 0,4 м/сут из выражения (1) находим единичный расход
д = 0,4
13,52 - 2,52 2 • 30
"2
* 1 м / сут .
Из выражения (2) глубина фильтрационного потока составит
Ну = ^2,52 + (182,25 - 6,25) 10/30 « 8м.
Ширину эквивалентного массива вэк находим из выражения (3), приняв т] = 2,5:
2,5
в„
--13 « 5,5м.
1 + 2 • 2,5
Промежуток высачивания А в области низового клина (Кф „л = Кф о) находим из выражений (4-6)
где
А = 12[1,252 +-у11,252 + 0,4 • 3,8 • 2,5]« 4,2 м.
А = 0,5
3,8 -1,5 -
1 + М
1,5
• 2,5
= 1,25.
Ч =
82,25 - 6,25 2(17,5 + 0,4 -13,5)
= 3,8м3 / сут .
Превышение отметки гребня плотины над расчетным статическим уровнем воды из выражения (7) составит
й = 0,25 +1,5 + 0,5 = 2,25 м.
Таким образом, существующая отметка гребня плотины ниже расчетной на 0,25 м.
Расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия из выражения (8) составит
^ 0,021 • 24 • 0,52 -1,5 О =-, = 0,5 кг.
(24/19 -1)^1 + 2,5
Расчетом устойчивости плотины, произведенным ранее, было установлено, что коэффициент устойчивости составил 0,9-1. Для увеличения устойчивости плотины был разработан проект подпорной стенки уголкового типа с анкерными тягами. Засыпка грунтом пазух подпорной стенки, выполняющей роль контрбанкета, позволила увеличить заложение откоса со стороны нижнего бьефа. В качестве защитных
мероприятий было предложено устройство в центральной части плотины противофильтрационной грунтоцементной диафрагмы длиной 40 м переменной глубины.
Со стороны верхнего бьефа при производстве геодезических работ были произведены промеры дна по поперечным створам плотины, которые позволили построить гипсометрические кривые и определить объем необходимых материалов для восстановления первоначального откоса.
Выводы. Выполненные исследования и аналитические расчеты позволили дать более обоснованную оценку технического состояния грунтовой плотины, на основе которой были разработаны и частично реализованы защитные мероприятия по повышению устойчивости тела плотины.
Список литературы
1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 303.
2. СНиП 2.06.05-84 Плотины из грунтовых материалов. - М., Стройиздат, 1984. - С. 31.
