книги из ГПНТБ / Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений (проектирование подземных частей плотин на нескальном основании)
.pdfР Р. Ч У Г А Е В
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
|
ичиая |
•Уч*° |
„ с к :с Р |
бибЛі |
_.,CL W |
:мпЯяр |
|
ЗЬ.З'-т ‘ |
|
ЧИТАЛЬИ^І^ |
|
' у I f , f |
f З У - |
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
1* |
3 |
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
жениями. Как ясно будет из дальнейшего изложения, расчеты филь трационной прочности оснований плотин, береговых примыканий,' земляных плотин и их оснований должны быть увязаны между собой, так как только при этом условии можно будет рационально проекти ровать обычно встречающиеся комплексы элементов плотины (состоя щей из бетонной части, земляной части и соответствующих береговых примыканий).
При подготовке к печати и оформлении второго издания настоящей книги нам оказали существенную помощь кандидат технических наук В. Т. Орлов и Т. А. Виноградова, которым приношу искреннюю бла годарность. Большую благодарность приношу также С. Н. Нумерову, оказавшему мне большую помощь (при составлении первого издания книги), выразившуюся в решении некоторых специальных вопросов математической теории фильтрации.
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
постройки плотины местных строительных |
материалов; |
г) удобство |
эксплуатации плотины. |
|
|
Рассматривая г о р и з о н т а л ь н о е |
сечение так |
называемого |
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
щ е г о у с т о я . |
|
|
|
Ниже будем пользоваться следующими терминами. |
|
|
|
В о д о у п о р — практически |
водонепроницаемый |
слой грунта |
|
под водопроницаемым основанием плотины. |
|
|
|
Н е о д н о р о д н ы й грунт — грунт, имеющий |
различные |
фи |
|
зико-механические характеристики |
в разных точках, его массы |
(гра |
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. .
О б ъ е м н ы й |
и л и |
у д е л ь н ы й в е с г р у н т а 1 — вес |
единицы объема |
грунта, |
состоящей из объема твердой фазы грунта |
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.
У д е л ь н ы й |
в е с |
м а т е р и а л а с к е л е т а (материала |
||
«частиц» твердой |
фазы) |
г р у н т а |
или сокращенно |
у д е л ь н ы й |
в е с с к е л е т а |
г р у н т а — вес |
единицы объема |
твердой фазы |
(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