CC BY
57
ВЛИЯНИЕ НА НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ ПРОЧНОСТИ КОНТАКТА ПЛОТИНЫ СО СКАЛОЙ
INFLUENCE OF CONTACT DAM-ROCK STRENGTH ON DEFLECTED MODE OF EARTH DAM
E.A. Харламова, М.П. Саинов E.A. Kharlamova, M.P. Sainov
ГОУ ВПО МГСУ
C помощью численного моделирования показано, что при крутых скальных бортах происходит проскальзывание каменно-земляной плотины относительно скалы. Этот процесс благоприятно сказывается на прочностном состоянии ядра.
By means of numerical analys is shown, that when steep rock sides occur slide of earth-and-rock-fill dam relative to rock. This process has an favourable impact on kernel strength state.
Высокие грунтовые плотины возводятся в основном в глубоких горных ущельях с крутыми скальными бортами. Логично предположить, что в процессе возведения плотины возможно проскальзывание грунта относительно скальных бортов, что влияет на её напряжённо-деформированное состояние (НДС) плотины. Чтобы оценить значение влияния этого фактора нами были проведены численные исследования.
Исследования НДС проводились в пространственной постановке численным методом - методом п конечных элементов. Для расчетов использовалась вычислительная программа Nds-N, разработанная к.т.н. Саиновым М.П.. Программа позволяет учитывать нелинейность поведения грунта, последовательность возведения плотины и наполнения водохранилища. Нелинейность деформирования грунтов описывалась моделью д.т.н. Рассказова Л.Н [1]. Для моделирования контакта «грунт-скала» были использованы специальные контактные элементы типа «поверхность-
поверхность» (рис. 1). Они позволяют отразить воз- , ТГ
Рис. 1 Контактный элемент типа
можность раскрытия контакта при нарушении прочно-
«поверхность-поверхность»
сти на растяжение (рис.2а) и проскальзывания при нарушении прочности на сдвиг (рис.2б). Предельное сопротивление сдвигу Тпред определяется по закону Кулона:
тПред=стп tg9+c,
где стп - нормальное напряжение, ф - угол внутреннего трения на контакте, с -удельное сцепление контакта.
Рис. 2 а) зависимость нормальных сжимающих напряжений an на контакте от относительных нормальных перемещений AUn; б) зависимость касательных напряжений т на контакте от относительных касательных перемещений AUT
Расчет производился на примере сверхвысокой грунтовой плотины высотой 300 м1. Ширина гребня плотины принята равной 20 м, общая ширина подошвы -1220 м. Противофильтрационный элемент выполнен в виде центрального ядра из супеси толщиной по низу 150 м. Упорные призмы имеют уклон откосов 1:2 и выполнены из гравийно-галечникового грунта (рис. 3а). Плотина расположена в створе протяженностью 700 м (рис. 36).
Рис. 3 а) поперечное сечение плотины, б) сечение плотины по створу
1 Рассматриваемая плотина близка к плотине Нурекской ГЭС. Деформативные характеристики грунтов плотины подбирались так, чтобы напряжённо-деформированное состояние плотины соответствовало измеренным в натуре на плотине Нурекской ГЭС.
Плотина и основание были разбиты сеткой МКЭ со следующими параметрами: количество узлов - 10768;
количество элементов - 10480, из которых 1076 контактных; количество степеней свободы - 28661.
Свойства грунтов тела плотины, по модели приведены в табл. 1:
Табл. 1
Условное обозначение Ее Ос п Р Ц> Ф с
Параметр модели Модуль объемной деформации при ст=1т/м2 и ^да Модуль пластическ0й деформации при ст=1т/м2 и ^да Показатель степени Плотность грунта Начальная энергия деформирования Угол внутреннего трения грунта Удельное сцепление
наименование грунта ед. изм. тс/м2 тс/м2 - тс/м3 тс/м2 0 тс/м2
Гравийно- 2000 4000 0.70 2.16 4.00 46 0
галечниковыи грунт
Песок 1700 3000 0.80 1.80 1.50 34 0
Супесь 400 850 0.50 2.14 4.00 23 3,0
Скальное основание 308640 406500 1.00 0.00 10000 40 1000
Свойства контактных элементов с учётом возможности «отлипания» и проскальзывания контакта приведены в табл. 2.
Табл. 2
Условное обозначение кп кт Ф с Рраст
Характеристики контакта Нормальная жесткость Касательная жесткость Угол внутреннего трения грунта Удельное сцепление Предел прочности на растяжение
Вид зоны кон- ед. такта изм. тс/м3 тс/м3 0 тс/м2 тс/м2
контакт гравийно-галечникового грунта призмы со скалой 200000 20000 42-45 0.00 1.0
контакт песчаного грунта со скалой 100000 10000 34 0.00 1.0
контакт супеси со скалой 80000 5000 23 2.50 2.0
Плотина «возводилась» в три очереди (до У125,00 м, до У215,00 м, до У300,00 м).
Для выявления значения нарушений на контакте «грунт-скала» было произведено три расчета:
1) с прочным контактом «грунт-скала» (без нарушений) и грунтами тела плотины, сохраняющими свою прочность по модели Кулона-Мора;
2) с учётом возможности «отлипания» и проскальзывания грунта относительно скалы;
3) с прочным контактом «грунт-скала» (без нарушений), но с возможностью нарушения прочности на сдвиг грунтов плотины (по модели Кулона-Мора).
Вариант 1 был принят в качестве базового для выявления влияния прочности контакта на НДС плотины.
В результате расчётов (вариант 2) было выявлено, что практически на всех участках сопряжения плотины со скальными бортами происходит её проскальзывание относительно скалы.
Нарушение прочности контакта "грунт-скала" привело к увеличению перемещений плотины. Перемещения увеличились не только в приконтактных зонах плотины, но и в центральном сечении. Увеличение осадок было незначительным (с 245 до 254 см), а смещений - на 28% (с 121 до 155 см).
Но, конечно, наиболее сильные изменения произошли в приконтактной области. Это хорошо видно на рис.4, 5 где показаны эпюры перемещений плотины в сечении по створу (перемещения и2 в направлении от борта к борту и осадки иу). В варианте 1, без учёта возможности проскальзывания грунта по скале, перемещения грунта в этих зонах практически отсутствуют. В варианте 2 наблюдается сдвиг грунта относительно скалы. За счёт этого осадки и смещения вырастают до 40-50 см (рис.4,5). Грунт плотины стремится уплотниться и сместиться в направлении к русловому сечению.
/
fv /
/
1 J
1/
■ FW4 ^П^ИТ-МЛ!* u ЩИ"""» Ti КЧЬ [.ЦГРЧЧР! Т-ГУ- ПДЯГУНМЧ
-"ИЛП-ЕЧ-ТИИ ík "j- "ч™ ШЧИМ-IT
■ Р|П ■ MtflpMtUl 1^-1 Н ш№1 II.VIEkHBL
Рис. 4 Перемещения Uz в сечении плотины по створу, [см]
«
Аналогичные тенденции были получены в варианте 3. В этом варианте возможность нарушений на контакте была исключена, но моделировалась возможность нарушения прочности грунта на сдвиг по модели Кулона-Мора. За счёт сдвиговых деформаций грунта в приконтактной области плотина в варианте 3 получила практически такие же осадки и смещения, как в варианте 2.
Н Л1 «Н кК 1 н н ■
ЧЧ' П 11[»-инич Сз гчI нсприинпг ШН1Н1Г I ■
' 114 НЗ-^Ч Ч- II НЛ|[АПНИЧ. "п Ч'П. I
Рис. 5 Осадки иу в сечении плотины по створу, [см]
Особый интерес представляет анализ прочностного состояния контакта "грунт-скала", который можно сделать на основании картины распределения коэффициента надежности (к=ХпреД/х) в контактном сечении (рис.6). В русловой зоне коэффициенты надежности достаточно велики. Нарушение прочности на сдвиг наблюдается на всех бортовых сечениях, в которых угол наклона к горизонту а>50°, то есть при уклоне откоса tg а= 1,2. Это объясняется тем, что в прибортовой зоне, в ядре и упорных призмах малы нормальные напряжения, «прижимающие» грунт плотины к скале. За счёт этого практически весь контакт в области примыкания верхней части ядра к скале находится в предельном состоянии.
ч
«II йп иг
■ г » м к и Л
■
.г
■ I
и II
Рис. 6 Распределение коэффициента надежности по модели в контактном сечении при непрочном контакте «грунт-скала» (вариант 2)
5/2011 ВЕСТНИК
_МГСУ
Из этого следует, что в прибортовых зонах ядра должен быть уложен более пластичный грунт, который позволит избежать трещинообразования в ядре при оползании ядра по склону.
Выводы:
В сверхвысокой плотине с крутыми бортами происходит нарушение прочности контакта ядра и упорных призм со скалой на сдвиг, то есть проскальзывание плотины относительно скалы.
1. Для сверхвысокой плотины, рассмотренной в данной исследовательской работе, при наклоне борта круче 1:0,85 происходит нарушение прочности на сдвиг контакта «грунт ядра-скала».
2. За счет нарушения прочности контакта происходит рост осадок и смещений грунта в прибортовой области, что ведёт к сглаживанию эффекта «зависания» ядра. Это в свою очередь благоприятно сказывается на прочностном состоянии ядра, так как увеличивает уровень сжатия грунта, однако требует более тщательного подбора грунта ядра и методов его укладки в прибортовой зоне
3. Результаты, полученные при решении задачи для двух вариантов расчёта, в одном из которых сдвиговые нарушения могли происходить только грунте (вариант 3), а в другом - ив грунте и на контакте «грунт-скала» (вариант 2), схожи, что говорит о том, что в области контакта плотины со скалой обязательно следует ожидать сдвиговые нарушения.
Список литературы
1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. «Проектирование грунтовых плотин» - М.: АСВ, 2001.
References
1. Goldin A.L., Rasskazov L.N. Design of earth dams - M.: ASV, 2001.
Ключевые слова : каменно-земляная плотина с ядром, напряжённо-деформированное состояние, прочность грунта,
Key words: earth-core dam, deflected mode, soil strength.
Телефоны авторов :(499) 261-31-43 e-mail авторов :mp_sainov@mail.ru
Рецензент: заместитель руководителя Центра безопасности судоходных гидротехнических
сооружений РРР, к.т.н.А.И. Глазов
