книги из ГПНТБ / Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений (проектирование подземных частей плотин на нескальном основании)

Р. Р. Ч У Г А Е В

ПОДЗЕМНЫЙ ко н тур ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(проектирование подземных частей плотин на нескальном основании)

Издание второе, переработанное

А.

Г

S

«ЭНЕРГИЯ»

Ленинградское отделение

1 9 7 4

УДК 627.8.035

Вкниге излагаются методы проектирования

ирасчета подземных частей бетонных плотин на нескальном основании и их устоев. В прило­ жениях к книге даются методы расчета фильтра­

ционной прочности земляных плотин и методы фильтрационного расчета дренажа. Большинство предлагаемых методов приняты в нормативных документах Минэнерго СССР, а также утверж­ дены Госстроем СССР в соответствующих СНиП.

Книга должна являться практическим руко­ водством для инженеров-гидротехников, по­ скольку описанные в ней методы в СНиП не ос­ вещаются (в СНиП утверждаются только наи­ менования указанных методов и основные пара­ метры, относящиеся к ним).

30314-111

Ч

051 ( 0 І) - 7 4

Рецензент С. В. Избаш

© Издательство «Э п е р г и я», 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ ГОССТРОЯ СССР

В предлагаемой книге проф. Р. Р. Чугаева наряду с целым рядом вопросов проектирования подземных частей бетонных сооружений, расположенных на нескальном грунте, подробно освещаются разра­ ботанные автором методы расчета: метод коэффициентов сопротивле­ ния, служащий для расчета фильтрации воды под плотинами, и метод контролирующего градиента, при помощи которого оценивается филь­ трационная прочность нескального грунта основания и береговых примыканий плотин, а также тела земляных плотин.

Необходимо отметить, что указанные два метода были приняты в СНиП для проектирования бетонных плотин, расположенных на нескальном основании (СНиП II—И. 12—67), и плотин из грунтовых материалов (СНиП II—И.4—73).

Поскольку в этих главах СНиП зафиксировано только наимено­ вание данных методов (без пояснения их существа), то книгу Р. Р. Чу­ гаева следует рассматривать как практическое руководство при про­ ектировании (в соответствии со СНиП) подземных частей бетонных плотин на нескальном основании, а также земляных плотин (при вы­ боре главнейших размеров этих плотин).

Следует также указать, что в последнее время для расчета филь­ трационной прочности грунта в литературе приводились разные ве­ личины допускаемых градиентов напора, контролирующих эту проч­ ность, причем часто без указания способа, согласно которому следует устанавливать действующие контролирующие градиенты. В предла­ гаемой книге этот вопрос представлен на современном уровне и увя­ зан с действующим в настоящее время СНиП.

Заместитель Председателя Госстроя СССР А. А. БОРОВОЙ

ПРЕДИСЛОВИЕ ВНИИГ ИМЕНИ Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

В начале 50-х годов во ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева Р.‘ Р. Чу­ гаевым была разработана теория проектирования подземных частей бетонных плотин, расположенных на нескальном основании или при­ мыкающих к нескальным берегам. Эта теория за последнее время нашла широкое применение в практике строительства как нашего отечественного, так и зарубежного. На основе указанных исследова­ ний еще в 1958 г. и 1962 г. были выпущены ТУиН на проектирование

подземного контура бетонных плотин [46] и на проектирование под­ земного контура сопрягающих устоев [49]; предложенные автором методы коэффициентов сопротивления и контролирующего градиента были утверждены Госстроем СССР в СНиП И-Й. 12—67 [55] и в СНиП ІІ-И.4—73 [56]. Отдельные фрагменты описанной работы многократно рассматривались на страницах различных журналов и в трудах раз­ ных конференций [40—42, 48, 67, 70, 72, 73 идр.], описывались в различных учебниках [7, 31, 47].

Отмеченные выше ТУиН [46 ] нашли достаточно широкое распро­ странение в ряде стран [74, 63, 64].

Необходимо сказать, что описанный в предлагаемой книге метод контролирующего градиента, основанный на обобщении широкого опыта плотиностроения за истекшие 50 лет, является достаточно на­ дежным и простым; вместе с тем по сравнению с известными методами Бляя и Лена он дает сокращение длины подземного контура соору­ жения в 3—4 раза и более. Такое положение свидетельствует о зна­ чительной экономии материальных средств при применении предла­ гаемого метода.

Несмотря на все сказанное выше, использование в СССР предла­ гаемых методов в последнее время затрудняется в связи с тем, что эти методы в объеме, необходимом для непосредственного практического применения, были освещены только в ведомственных ТУиН [46], выпущенных 15 лет назад тиражом 2000 экземпляров, и в книге автора «Подземный контур гидротехнических сооружений» [50], выпущенной. 10 лет назад также весьма малым тиражом.

Второе издание упомянутой книги преследует цель дать в руки проектировщиков достаточно ясное и полное практическое руковод­ ство для проектирования рассматриваемых сооружений. В это изда­ ние внесены некоторые дополнения и изменения, в частности, значи­ тельно увеличены допускаемые контролирующие градиенты (на основе опыта строительства последних лет). Ввиду ограниченности объема книги из нее исключены подробные обоснования некоторых положе­ ний (которые при желании можно найти в первом издании книги).

Директор ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева, ' заслуженный деятель науки и техники РСФСР М. Ф. СКЛАДИЕВ

4

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее ответственных частей бетонной плотины, рас­ положенной на нескальном основании или примыкающей к нескаль­ ным берегам, является ее подземная часть.

Предлагаемая книга посвящена вопросу о выборе формы и разме­ ров подземных устройств бетонной плотины, расположенной на не­ скальном основании и омываемой снизу и с боков (со стороны берегов) фильтрационным потоком.

Подземное очертание бетонных массивов плотины («подземный кон­ тур плотины») должно выбираться с учетом геологических и гидро­ логических условий, а также с учетом условий производства работ, величины напора на плотине и т. п.

В настоящее время разработано много различных схем подземного контура. При проектировании сооружения приходится рассматривать целый ряд вариантов подземного контура, отличающихся друг от друга как формой, так и размерами отдельных элементов. В результате сопоставления этих вариантов должен быть окончательно принят наи­ более выгодный подземный контур — так называемый рациональный подземный контур.

Надо подчеркнуть, что варианты контура, сопоставляемые в эко­ номическом и других отношениях, должны давать равнопрочные со­ оружения.

При анализе прочности и устойчивости плотины, запроектирован­ ной по разным вариантам, необходимо различать: а) прочность эле­ ментов самой плотины и ее .общую устойчивость; б) так называемую фильтрационную прочность грунта - основания плотины и берегов русла.

Как известно, прочность элементов плотины и ее общая устойчи­ вость оцениваются при помощи специальных расчетов, разрабаты­ ваемых в строительной механике и механике грунтов. Эти вопросы мы далее не будем рассматривать. Что касается фильтрационной проч­ ности нескального грунта основания и берегов, то она должна оцени­ ваться особыми расчетами, излагаемыми ниже.

Фильтрационный поток, образующийся за счет воды, которая проникает из верхнего бьефа в грунт (через дно и берега верхнего бьефа) и выклинивается в нижнем бьефе (через дно и берега нижнего бьефа), порождает целый ряд'обстоятельств, которые необходимо при­ нимать во внимание при проектировании. В частности, при проекти­

5

ровании подземного контура приходится учитывать: 1) величину рас­ хода воды, фильтрующей из верхнего бьефа в нижний; 2) давление, действующее со стороны фильтрационного потока на различные эле­ менты бетонной плотины, в частности, так называемое противодавле­ ние, действующее на подошву плотины; 3) скорости фильтрации и пьезометрические уклоны (градиенты) в различных точках области фильтрации.

Прежде чем перейти к окончательной оценке намеченного варианта подземного контура, надо выяснить основные гидродинамические ха­ рактеристики фильтрационного потока, получающегося в рассматри­ ваемом случае. Такая задача решается при помощи фильтрационных расчетов. Как видно, эти расчеты играют вспомогательную роль: они позволяют учитывать величину некоторых параметров фильтрацион­ ного потока, необходимых для расчета прочности и устойчивости пло­ тины, а также для расчета фильтрационной прочности грунта основа­ ния плотины и берегов русла (исключение здесь составляет только фильтрационный расход, который иногда может представлять само­ стоятельный интерес).

Решая ту или иную практическую задачу, приходится, как пра­ вило, сталкиваться с достаточно сложными геологическими и другими условиями, которые нельзя учесть во всей полноте расчетами. Это обстоятельство вынуждает нас при проектировании подземного кон­ тура плотины несколько упрощать естественные условия и подвер­ гать расчету не действительное сооружение, а его расчетную (упро­ щенную) схему. Выработка такой схемы сооружения является весьма ответственной инженерной задачей.

Очень часто при составлении расчетной схемы принимают следую­ щие условия: а) задачу считают плоской; б) грунт основания — од­ нородным изотропным (при этом принятый в расчетной схеме услов­ ный грунт наделяют некоторыми средними фильтрационными и дру­ гими характеристиками). Именно такого рода расчетными схемами далее и будем оперировать.

В книге принята следующая последовательность изложения мате­ риала, освещающего проектирование подземного контура. После разъяснения (в гл. -1) некоторых общих положений рассматриваем затем отдельно: 1) проектирование и расчет подземного контура бе­ тонных плотин при напорной фильтрации под ними (см. гл. 2, 3, 4) и 2) проектирование и расчет подземного контура бетонных сопря­ гающих устоев при безнапорной фильтрации в обход плотины (см. гл. 5 и 6). При изложении каждой из этих двух« частей книги мы в ос­ новном освещаем следующие вопросы: а) проектирование (конструиро­ вание) элементов подземного контура, б) соответствующие расчеты ламинарной фильтрации воды в нескальном грунте, в) расчеты так называемой фильтрационной прочности нескальных грунтов, обра­ зующих или основание плотины или берега русла. В отдельных при­ ложениях к книге приводятся: 1) расчеты фильтрационной прочности земляных плотин и их оснований и 2) расчеты притока воды к так на­ зываемым висячим дренам. Надо сказать, что на последних двух во­ просах нам пришлось остановиться в связи со следующими сообра­

6

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Терминология. Принимаемые обозначения

При рассмотрении поперечного сечения плотины следует разли­ чать линию, ограничивающую плотину снизу и отделяющую все ее конструктивные части (фундамент плотины, дренажи, понур, шпунты, водопроницаемую рисберму и т. п.) от грунта основания. Эта линия может быть названа д е й с т в и т е л ь н ы м п о д з е м н ы м 1к о н ­ т у р о м п л о т и н ы . Просто п о д з е м н ы м к о н т у р о м пло­ тины условно называется та часть упомянутой линии, которая огра­ ничивает снизу только водонепроницаемые и маловодопроницаемые элементы плотины, соприкасающиеся непосредственно с грунтом ос­ нования (см. на рис. 1 линию 1—2—3—а—4—5—Ъ—6).

Под р а ц и о н а л ь н ы м п о д з е м н ы м к о н т у р о м про­ ектируемой плотины понимают такой подземный ее контур (из целого ряда возможных), при котором, с одной стороны, плотина и ее основа­ ние будут прочны и устойчивы, с другой стороны, в наиболее рацио­ нальной форме будут сочетаться следующие условия: а) экономич­ ность плотины; б) простота производства строительных работ и крат­ кие сроки их выполнения; в) возможность использования для

сопрягающего устоя, т. е. берегового устоя или устоя, сопрягающего бетонную и земляную части плотины, следует различать, так же как и в поясненном выше случае вертикального сечения плотины (рис. 1), р а ц и о н а л ь н ы й п о д з е м н ы й к о н т у р с о п р я г а ю ­

нулометрический состав, коэффициент фильтрации и т. п.); для о д - н о р о д н о г о по г р а н у л о м е т р и ч е с к о м у с о с т а в у р а з н о з е р н и с т о г о г р у н т а кривые гранулометрического состава в указанных точках одинаковы.

8

С у ф ф о з и о н н ы й г р у н т — грунт, внутри которого под воздействием фильтрации могут возникнуть (при определенных ско­ ростях фильтрации) опасные фильтрационные деформации, т. е. пере­ мещения частиц грунта, ведущие к опасным деформациям скелета грунта и недопустимому снижению его несущей способности (см.§ 3).

Ф и л ь т р а ц и о н н а я п р о ч н о с т ь г р у н т а — способ­ ность грунта сопротивляться возникновению опасных фильтрацион­ ных деформаций. .

х?т

О б р а т н ы й ' ( р т т р

В о д о н е п р о н и ц а е м ы й с л о й

Рис. 1

и соответствующего объема порового пространства, заполненного либо воздухом и водой, либо одним воздухом, либо одной водой.

(взятой в виде монолита), из которой образован скелет грунта (его твердая фаза).

Д р е н а ж — устройство, служащее для перехвата и отвода грун­ товой воды.

О б р а т н ы й ф и л ь т р — устройство, выполненное из одного или нескольких слоев грунта (образованных фракциями различной крупности) и служащее для предотвращения внешней суффозии (см. ниже § 3). Иногда грунт обратного фильтра заменяется пористым бе­ тоном, стеклотканью и т. п.

Примем следующие обозначения для основных величин, с кото­ рыми будем встречаться далее (рис. 1): L — длина подземного кон­

1 Правильнее пользоваться термином «удельный», а не «объемный», так как под о б ъ е м н о й с и л о й (в отличие от п о в е р х н о с т н о й силы) в ме­ ханике понимают внешнюю силу, действующую на все частицы, образующие рассматриваемое тело (а не внешнюю силу, отнесенную к единице объема тела); объемная сила есть такая сила, величина которой прямо пропорциональна объему тела.

9