7.Устойчивость откосов земляных плотин

На земляную плотину действуют следующие силы: гидростатическое давление воды, вес плотины и различные второстепенные нагрузки, как давле­ние льда, волн и пр.

Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собой трапецию с откосами, обычно не круче 1:1,5. Вес плотины такого профиля на­столько значителен, что о сдвиге ее под действием горизонтальных сил не мо­жет быть и речи, в этом можно убедиться из элементарного расчета. Поэтому нет необходимости делать поверку земляной плотины на сдвиг.

Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с недостаточной устойчивостью основания.

7.1 Устойчивость земляных откосов

Вопрос об устойчивости земляных откосов изучался многими исследова­телями. Накоплен большой материал по изучению аварий откосов.

В настоящее время можно считать, что в насыпях из сыпучих (несвяз­ ных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если отсутствуют фильтрационные силы, устойчивый откос представляет со­ бой плоскость, наклоненную к горизонту под углом φ, где φ - угол внутреннего трения или естественного откоса. Всякий откос с углом наклона θ>φ является неустойчивым и наоборот.

В связных грунтах устойчивость откосов зависит от сопротивления сдви­гу, создаваемого внутри грунта, по принятому представлению, трением и сцеп­лением между частицами, причем роль последнего бывает нередко весьма зна­чительной, особенно при наличии хорошего искусственного уплотнения грун­та, производимого катками.

7.2 Расчет устойчивости земляных откосов

Как правило, откосы земляной плотины не являются однородными по со­ставу; даже в плотине из однородного грунта часть последнего, лежащая ниже кривой депрессии, имеет иные физические свойства, чем вышележащей сухой грунт: иной объемный вес, иное сцепление, наличие фильтрационных сил. Кроме того, в большинстве случаев основание плотины может деформировать­ся вместе с откосами.

Целью расчета является определение коэффициентов запаса устойчиво­сти откосов плотины заданного поперечного профиля.

При проверке устойчивости низового откоса основным расчетным случа­ем является схема с установившимся фильтрационным потоком в теле плоти­ны, уровень верхнего бьефа на отметке НПУ, а уровень нижнего бьефа -максимальный.

Минимальные допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов при основном и особом сочетании нагрузок, установленные СНиП в зависимо­сти от классов капитальности сооружения приведены в таблице 10.

Таблица 10
Сочетание нагрузок	Допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов плотины
	I		II	III	IV
Основное	1,3-1,25		1,2-1,15	1,15-1,1	1,1-1,05
Особое	1,1-1,05		1,1-1,05	1,05	1,05

Предполагается, что в грунте плотины и основания может образоваться поверхность обрушения, принимаемая за круглоцилиндрическую, по которой под действием сил веса грунта откоса произойдет сползание его и выпучивание основания. Оползание будет иметь место, если момент веса G грунта в преде­лах, отсекаемых круговой поверхностью, относительно центра вращения О M=Gg будет больше момента сил трения и сцепления по поверхности скольже­ния.

1) Выбор радиусов и положения центров кривых скольжения

Обычно расчет производится для ряда точек центров кривых скольжения, выбираемых в области центров наиболее опасных кривых.

По В.В.Фандсеву, эта область расположена между двумя прямыми, вос­становленными из центра откоса (рисунок 38) под углом 85° и перпендикуляр­но к основанию плотины.

Между этими прямыми из центра откоса проводятся две дуги окружно­сти радиусами, зависящими от заложения откоса и высоты плотины Н_пл (таблица 11).

Таблица 11
Относительные радиусы	Заложение откосов
	1:1	1:2	1:3	1:4	1:5	1:6
r1/Нпл	0,75	0,75	1.0	1,5	2.2	3,0
r2/Нпл	1,5	1,75	2,3	3,75	4,8	5,5

Рисунок 38 - Области центров наиболее опасных поверхностей скольжения

При промежуточных значениях заложения откосов величины r₁/Н_пл и r₂/Н_пл принимаются по интерполяции. В этой области и принимаются ряд точек центров, последовательно приближаясь к наиболее опасной области. Лучше всего в начале принимать первым центром точку O_I на расстоянии 0,5(r₁ + r₂) по прямой, проведенной под углом 85° к откосу. Затем точку 0₂ (рисунок 20) и точку 0₃ между ними. Если при этом величина k_с растет, то переходят за об­ласть точки O₁ во внешнюю сторону. После нахождения минимума на этой прямой от центра с минимальным значением k_с выбирают ряд точек в направ­лении прямой 2-2 до тех пор, пока не отыщется центр с минимальным значени­ем k_с.

Для каждой точки значение предельных радиусов кривых скольжения, больше которых принимать не следует, определяется по таблице 12.

Таблица 12

Т/Нпл Т-глубина залегания водоупора зазазалегания водоупора		Значение R/Hпл, при		заложении откосов
	1:1	1:2	1:3	1:4	1:5	1:6
0,25	1,5-2,0	1,6-2,2	2,3-3,0	3-4,5	4-5,5	5-6,5
0,5	1,5-2,3	1,8-2,6	2,4-3,2	3-4,5	4-5,5	5-6,5