книги из ГПНТБ / Минервина, Е. Е. Переформирование берегов горных водохранилищ методы и примеры прогноза

його запаздывания снижения уровня воды в грунте от­ носительно уровня водохранилища наиболее опасным

явится предельно высокое положение кривой депрессии, соответствующее представлению об условно-мгновенной

сработке воды. В этом случае кривую депрессии следует принять совпадающей в верхней части с наивысшим расчетным уровнем водохранилища, в остальной — с по­

верхностью откоса, а объем фильтрующего грунта (в по­

лосе единичной длины) равным площади фигуры в кон­

туре фильтрации ω=ABCDE (рис. 3-7,а).

В сильно водопроницаемых отложениях (например,

в осыпях, обломочно-щебенистом пролювии, трещинова­

тых породах и пр.), в которых уровень воды будет сни­

жаться практически синхронно с понижением воды в водохранилище, кривая депрессии быстро установится

на уровне последнего и объем фильтрующего грунта

ωбудет равен нулю (рис. 3-7,6).

Всредневодопроницаемых грунтах (в щебенисто-суг­ линистом делювии, оползневых накоплениях и т. п.)

кривая депрессии, снижаясь с некоторым запаздыванием по сравнению с уровнем воды в водохранилище, займет промежуточное положение (рис. 3-7,в). Определить по­

ложение кривой депрессии в этом случае можно, поль­ зуясь приемами и правилами, применяемыми в фильтра­

ционных расчетах земляных .плотин, по аналогии со

случаем неустановившейся фильтрации в верховом отко­

се плотины при снижении уровня воды в бьефе (напри­ мер, по (Л. 58J). Кривая депрессии имеет обычно при­

ближенно параболическую форму, а объем выражается

контуром фильтрации u>=ACDE. Явления фильтрации

вестественных грунтах бортовых склонов сложнее, чем

воткосах земляных плотин, однако на данном этапе

изученности проблемы оползневых переформирований

берегов горных водохранилищ применение к ним извест­

ных решений гидравлики земляных сооружений можно

считать приемлемым.

Влияние фильтрационных сил на устойчивость склонов оцени­ вается іпо-разному в зависимости от основного метода статического расчета. Например, в методе круглоцилиндрических поверхностей скольжения, оперирующем отношением моментов сдвигающих и

тела (между кривыми депрессии и скольжения) на плечо вращения, равное горизонтальному расстоянию от центра приложения G до центра вращения [Л. 26]. Весьма удобны в этом отношении простые приемы, предложенные H. Н. Масловым [Л. 23, 27]: «метод взвеши-

114

вания», «метод фиктивного угла трения», «метод объемной силы»,

использующему в качестве критерия равновесия равенство угла наклона поверхности скольжения а углу сопротивления сдвигу ψp, влияние фильтрационных сил учитывается πyτe,M соответствующего вычисления значений фр, меняющихся в зависимости от положения кривой депрессии {Л. 24]. В «методе наклонных сил» P. Р. Чугаева строится эпюра горизонтальной составляющей фильтрационной силы; искомая сила Φ1∙np получается умножением площади эпюры F l (рис. 3-8) на объемный вес воды: Φγ0v=4bF 1 {Л. 56].

При проектировании земляных и каменнонабросных плотин при подсчетах весовых давлений в откосе оперируют разными значения-

Рис. 3-8. Построение эпюры горизонтальной составляющей F l сум­ марной фильтрационной силы по P. Р. Чугаеву (для случая, приве­ денного в § 4-5).

ми объемных весов грунта: выше кривой депрессии γ0cτ, ниже нее Ѵнас И ниже статического уровня сработки уВзв (см. ТУ 24-104-40, {Л. 3]). Например, для элемента отсека, изображенного на рис. 3-7,в, суммарный вес будет равен:

Gi = (jγec τhl + Y∏a <⅛ +ѴвавАз) 6i,

где hi, hi, h¡ — средние высоты элемента соответственно от поверх­ ности откоса до кривой депрессии, от кривой депрессии до уровня сработки и от уровня сработки до кривой скольжения; влияние фильтрационных сил учитывается введением в знаменатель формулы для нахождения коэффициента устойчивости k сдвигающей силы G1, увеличенной за счет веса столба воды z, заключенного в грунте между линией депрессии и уровнем сработки (G1 = G+ybz6) [Л. 2].

Практическое применение статических расчетов

в прогнозах оползневой переработки берегов рассмотре­

но в гл. 4.

Пользуясь статическими расчетами, можно составить и прогноз сейсмической устойчивости бортов горных во­

дохранилищ (см. § 4-5).

3-11. НЕКОТОРЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ПОСТРОЕНИЮ ПРОФИЛЯ ПРОГНОЗА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Критерием оценки оползневого переформирования

склона является величина коэффициента устойчивости

Аэкспл *• Коэффициент устойчивости береговых склонов горных водохранилищ на действие основных нагрузок —

от собственного веса грунта и воды, взвешивающего и

фильтрационного давлений может прийматься равным

⅛3κc∏∏≥l. В особо ответственных случаях — при значи­

тельной глубине водохранилища, вероятности образова­

ния большого оползня вблизи плотины, угрозе капиталь­

ным сооружениям и пр., определяемых конкретными

требованиями проекта, а также при большом разбросе

экспериментальных значений <р и с следует принимать

‰κc∏∏≥l,3 и еще большим. При выявлении расчетами

при каком-либо из названных выше состояний &ЭКСпл, меньшего требуемой величины, «опасная» (по расчету) поверхность скольжения может служить основой для по­ строения профиля прогноза оползневой переработки берегов.

Методов построения профиля прогнозируемого сме­ щения оползней пока не имеется. Очевидно, структура

профиля оползневого переформирования будет зависеть от многих факторов: размеров склона и оползня, геоло­ гического строения и свойств пород, степени подтопле­

ния водохранилищем, амплитуды и скорости смещения

и, главное, свободы пространства для гравитационного

размещения оползневых масс.

Одним из ориентиров в построении профилей прогно­ за может служить признак ожидаемой динамичности

оползня (скорости и отчасти амплитуды смещения), кос­

венным выразителем которой является величина коэф­ фициента устойчивости. В этом аспекте небесполезны

приводимые в табл. 3-5 обобщенные сведения об отра­

жении в рельефе динамики горных оползней, получен­

ные сопоставлением расчетных данных и результатов инструментальных наблюдений на некоторых ополз­

невых склонах.

Соответственно если при расчетах получено незначи­ тельное снижение &экспл против единицы, то следует ожидать медленного переформирования берегов с малы-

* Соответствует устойчивости склона в условиях эксплуатации водохранилища.

116

совпадет с профилем склона до затопления.

Если снижение йакспл значительно, следует ожидать

быстрых, даже катастрофических смещений, сопровож­

даемых разрушениями пород и сильными изменениями

рельефа. Значительная часть прогнозируемого профиля

при максимально возможной амплитуде смещения со­

впадает с обнажившейся постелью скольжения, а ополз­

невые массы, достигнув устойчивого положения, приобре­ тут уклон поверхности не больший угла откоса разру­

шенных пород в сухом состоянии или под водой.

В каньонах, где амплитуда смещения ограничена

малым объемом свободного пространства, возможны

случаи полного загромождения живого сечения водохра­ нилища (как, например, на водохранилище Вайонт).

Прогнозируемый профиль смещенного оползневого тела, т. е. фигура между линией скольжения и направ­

лением угла откоса смещенных масс, строится путем по­

следовательного подбора площадей, равновеликих пло­

щади фигуры сползйния, с учетом разрыхления пород.

Построенный таким способом профиль можно рас­

сматривать как примерный профиль первичного оползне­ вого переформирования берегов условно на первые Ю лет.

Построение профилей прогноза на более отдаленные сроки должно базироваться на представлениях об эво-

117

люции первоначально сформировавшихся склонов в условиях продолжающегося воздействия водохранили­

ща и вероятном изменении характера оползневых про­

цессов во времени.

Г. ПУТИ ПРОГНОЗА МНОГОФАКТОРНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВ

3-12. КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗА

Понятие многофакторная переработка берегов, как

отмечалось в гл. 2, относится к сложному сочетанию

береговых процессов, развивающихся под совместным действием нескольких групп факторов. Самым распрост­

раненным является сочетание оползневых явлений

с абразионными. Исходя из этого, главными факторами

многофакторной переработки берегов следует считать группы оползневых и абразионных факторов. Дополни­ тельные факторы в основном усиливают или ослабляют

действие главных и лишь в отдельных случаях приоб­ ретают самостоятельное значение в переформировании.

К числу дополнительных факторов, наиболее характер­ ных для горных водохранилищ, относятся действующие

оползни, сели, карст, оврагообразование, заиление, зем­

летрясение, камнепады, снежные лавины, ледовые и прочие явления, а также явления, связанные с инженер­

ной и хозяйственной деятельностью людей (производст­

во строительных и\ промышленных взрывов, подрезка

склонов дорожными и другими выемками, сброс отвалов

на склон, сотрясения от работы механизмов, фильтрация из каналов и других водосодержащих сооружений, не­ организованный полив насаждений и т. п.).

Сложная взаимосвязь и взаимообусловленность явле­ ний при многофакторной переработке берегов отра­

жаются на формах, масштабах и темпах переформиро­ вания и делают задачу прогноза весьма трудной. На современном этапе изученности вопроса решать эту за­

дачу можно лишь приближенно, идя по пути раздельно­

го прогноза по каждой группе или какому-либо фактору с последующей интегральной интерпретацией результа­

тов частных прогнозов в их полном комплексе. Данный

метод1, названный комплексным методом прогноза

1 Разработан Е. Е. Минервиной в 1966 г.

118

Многофакторной переработки берегов, использован в техническом проекте Ингурской ГЭС [Л. 35].

Выполнение прогноза по комплексному методу сла­ гается из ряда последовательных операции: а) составле­

ния логической схемы прогноза, качественно отражаю­

щей возможное влияние основных и дополнительных факторов на общий процесс переформирования (на осно­ ве анализа проектных, инженерно-геологических, клима­

тических и прочих данных по исследуемому объекту);

б) выполнения в аспекте логической схемы специальных

геотехнических, экспериментальных, модельных или на­

турных исследований и расчетов по определению коли­ чественных показателей, используемых в частных про­ гнозах; в) составления частных прогнозов для каждого

или группы факторов по принципу независимости дейст­

вия сил с помощью соответствующих расчетных, графи­ ческих или иных количественных методов, включая ме­

тоды аналогий, моделирования и пр.; г) составления комплексного прогноза переработки берегов на основе

интегрального анализа результатов частных прогнозов, сопровождаемого в ряде случаев дополнительными рас­

четами и графическими построениями.

Составление логической схемы прогноза является

наиболее ответственной его частью. Составление част­

ных прогнозов выполняется по тем факторам, роль ко­

торых в переформировании берегов считается наиболее

значимой.

Так, при возможности развития ветровых волн на во­

дохранилище одним из частных прогнозов является

прогноз абразионной переработки берегов. Прогноз

исходит из допущения, что в формировании данного уча­ стка берега преобразующими являются только факторы абразионной группы, и выполняется в согласии с изло­

женным выше в разд. Б данной главы.

Прогноз абразионной переработки оползающих бе­

регов, т. е. в случаях, когда абразии подвергнутся скло­

ны с действующими оползнями, является исключительно

сложным вследствие трудно поддающегося учету взаим­ ного влияния смещений оползня и развития абразионной

отмели на формирование берега. В горных водохрани­ лищах прогноз сильно осложняется уровенным режи­

мом, перемещающим горизонты абразии и подтопления

оползня на десятки метров. Переработка волнами опол­

зающих берегов распространена на волжских, камских

119

И многих других водохранилищах СССР. Некоторые ме­ тодические рекомендации по прогнозу этого сложного

явления на них [Л. 18, 39, 49] могут найти применение и при проектировании горных водохранилищ. Однако

сами авторы этих методик относят прогнозы по ним к категории качественных и в значительной мере при­ ближенных.

Следуя рекомендациям Г. С. Золотарева [Л. 18], осно­

ванным на предложениях Ф. П. Саваренского (1940 г.),

в прогнозе переработки волнами оползающих берегов

следует опираться на данные изучения в натуре меха­

низма, причин и динамики оползня. При этом в прогнозе по Г. С. Золотареву (включая графические построения)

главная роль отводится сравнительному инженерно-гео­

логическому методу и использованию природных анало­ гов, а статические расчеты устойчивости рассматривают­

ся как вспомогательный аппарат анализа.

При наличии натурных данных о скорости оползня до устройства водохранилища и возможности с доста­

точным приближением прогнозировать ее изменение в условиях водохранилища, а также рассчитать ожидае­

мую скорость абразии, примерное перемещение берего­ вой линии в процессе переработки можно определить методом «баланса оползневых масс» И. А. Печеркина [Л. 39], которым по данным наблюдений на камских во­ дохранилищах установлена тесная взаимосвязь между

оползанием и абразией, выражаемая криволинейной

для камских оползней и могущие меняться в зависимо­ сти от конкретных условий.

Друглм частным прогнозом является прогноз ополз­

невой переработки берегов. Прогноз оползневой пере­ работки тоже исходит из допущения, что формирующи­

ми на данном участке берега являются факторы только

оползневой группы, и выполняется в полном соответст­

вии с методикой, изложенной в разд. В. В случае двух­

стадийного наполнения водохранилища дополнитель­ но выполняются расчеты оползневой переработки бере­

нилища.

120

При расположении водохранилища в сейсмических

районах (свыше 6 баллов) частный прогноз сейсми­ ческой устойчивости бортовых склонов выполняется с помощью того же метода расчета устойчивости и на том же расчетном поперечнике, которые были приняты в основном прогнозе оползневой переработки берегов.

В расчет вводится сейсмическая сила Pc в качестве до­ полнительного компонента действующих сил при напол­ ненном водохранилище. Коэффициент запаса kc при прогнозе сейсмической устойчивости склона принимается

равным 0,95—1,0, а в ответственных случаях 1,0—1,10.

Определению величины сейсмической силы Pc пред­ шествует установление микросейсмической бальности рассматриваемого участка путем повышения средней бальности района на единицу при наличии сейсмически

неблагоприятных условий. Сейсмически неблагоприятны­

ми условиями считаются расположение расчетного уча­

стка вблизи зоны тектонических нарушений, повышенная

трещиноватость, выветрелость или тектоническая нару-

шенность пород, наличие крупных оползней, обвалов, осыпей или плывунов, высокое стояние грунтовых вод, сильное расчленение рельефа оврагами с высокими

обрывистыми склонами и т. п.

сейсмичности, принимаемый в зависимости от расчетной сейсмич­ ности местности равным:

Инерционная сила Pc считается действующей в на­

правлении, наиневыгодпейшем для склона, т. е. в на­ правлении действия сдвигающих сил. В общем случае

коэффициент устойчивости склона при действии инер­

ционных нагрузок находится из выражения

t ¾

c'~^ Σ (Л4СД„ + Рва) ’

где а — плечо инерционной силы.

При сложении склонов несвязными зернистыми грун­

тами (осыпи, террасовый аллювий и т. п.) и возможнос­

ти сейсмических сотрясений или иных динамических воз­

действий проверяется динамическая устойчивость бортов

121

водохранилища в соответствии с теорией динамической

устойчивости водонасыщенных песков H. Н. Маслова

[Л. 25].

Прогноз влияния на переработку берегов камнепа­

дов и обвалов с высоких надводных карнизов, се­ лей, снежных лавин и других природных явлений,

способных вызвать волнообразование на водохранили­ ще, выполняется в основном качественно путем всесто­

роннего анализа явления на основе специальных инже­

склонов, подвергающихся оползневой переработке, учи­ тывается лишь для водохранилищ, принимающих обиль­

ный твердый сток горных рек и имеющих небольшую

площадь дна, в которых можно ожидать быстрого нара­ стания мощности донных наносов до нескольких метров в год.

Прогноз заиления водохранилища в отношении оценки вероят­ ной мощности наносов, отлагающихся за год, можно осуществить приближенным расчетом путем деления объема наносов на площадь

оползневого переформирования берегов может не учи­

тываться.

Прогноз влияния производства строительных

работ вблизи водохранилища на устойчивость и пере­ формирование берегов производится тоже C помощью оползневых расчетов с введением в них дополнительных нагрузок в виде статических (например, при сбросе строительных отвалов на переформируемый склон),

фильтрационных (например, при устройстве ирригацион­

ных сооружений вдоль 'берегов), динамических (при взрывах) или иных сил.

Ряд вопросов, связанных с прогнозом сложного пе­

реформирования берегов горных водохранилищ, может

122

решаться полевыми методами инженерной геологии, гео­ дезическими измерениями деформаций склонов и соору­

жений, моделированием напряженного состояния пород

склонов и экспериментальными исследованиями с полу­ чением качественных или количественных показателен

для прогноза.

3-13. ПРИЕМЫ ПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСНЫМ МЕТОДОМ

Приемы пользования комплексным методом прогноза

многофакторной переработки берегов можно пояснить

на примере левобережного склона Джварского водохра­

нилища Ингурской ГЭС.

Узкое глубоководное водохранилище, сооружаемое

на р. Ингури, как видно из описания в § 1-2, относится

к типу каньонных водохранилищ и лишь в приплотинной части, в створе левобережного Худонского оврага, обра­

зующего залив, ширина его составит около 1,9 км. Это

местное уширение водохранилища и связанная с ним

возможность развития волн и других геодинамических

явлений внесут некоторые изменения в ход береговых процессов, типичных для каньонных водохранилищ,

приближая их к многофакторной переработке берегов. Здесь в соответствии с неблагоприятными инженерно­

геологическими условиями (см. рис. 4-15), ухудшаемыми

созданием водохранилища, а также в связи с инженер­

ной и хозяйственной деятельностью на близлежащей

Столь динамичный режим эксплуатации водохранилища

несомненно окажет большое влияние па развитие всех

береговых процессов, в первую очередь на статику

оползнево-осыпного склона.

Из числа поверхностных оползневых явлений самым

распространенным должно быть уположепие известняко­

вых осыпей, протянувшихся вдоль уреза на 1,5 км и имеющих в природном состоянии откосы крутизной до

* Отметки уровня соответствуют глубинам воды у плотины.

123