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

На данном графике двумя пунктирными кривыми выделена область, внутри которой и должны находиться все практические случаи. Пра­ вее и ниже нижней границы этой области лежит зона, которой соот­ ветствуют практически водонепроницаемые понуры.

6°. Расчет плотины с водопроницаемым понуром при наличии глубокого залегания водоупора

Как отмечалось, поясненный выше способ расчета приемлем только тогда, когда:

а) поверхность водоупора расположена не слишком глубоко (на­ пример, отношение Іп/Тп >- 1-ь-1,5);

б) отношение k j k n достаточно велико.

При несоблюдении этих условий расчет плотины с водонепроницае­

считаем, что коэффициент фильтрации грунта, образующего этот мас­ сив, равен коэффициенту фильтрации основания_(т. е. k0). Дополни-

,тельно считаем, что по боковым граням a!d и Ь'с эквивалентного мас­ сива установлены абсолютно водонепроницаемые бесконечно тонкие стенки. При таком предположении вода из верхнего бьефа в основание может поступать только через горизонтальные поверхности Аа и а'Ь'у расположенные на разных уровнях.

140

Рассматривая полученную расчетную схему, видим, что для. ре­ шения поставленной задачи нам необходимо знать коэффициент сопро­ тивления £вх, соответствующий входному фрагменту основания, ко­ торый показан на рис.-78 штриховкой.

Обозначим: через — коэффициент сопротивления на вход при расположении дна верхнего бьефа на уровне ЪА\ через £2 — коэффи­ циент сопротивления на вход при расположении дна верхнего бьефа на уровне b'A'.

причем численное значение £вх будет зависеть от Іп.

С. Н. Нумеров методом математической теории фильтрации нашел уравнение пьезометрической линии, построенной для подошвы беско­ нечно длинного горизонтального понура, причем эта задача им была решена для условий, когда Тп = оо (т. е. для условий, принципиально отличных от тех, которые имел-в виду А. А. Угинчус).1 Анализируя

где интегральные синус и косинус выражаются в виде:

При использовании приведенного уравнения предполагается, что ось 0* направ­ лена против течения, причем начало этой оси помещено в точке е (см. рис. 73);

141

это решение С. Н. Нумерова, можно прийти к выводу, что предельная длина понура для случая Т„ = оэ может быть принята:1

можно предложить следующую приближенную формулу (нуждаю­ щуюся, возможно, в некотором уточнении):

ным ранее методом коэффициентов сопротивления. Применяя этот метод, мы, естественно, должны интересоваться положением расчет­ ного водоупора, ограничивающего снизу активную зону фильтрации. Этот вопрос приближенно можно решить следующим образом.

В соответствии с приведенными ранее рекомендациями, предпо­ лагая, что понур вовсе отсутствует, намечаем сперва расчетный водоупор M'N' (рис. 78), соответствующий положению дна верхнего бьефа на уровне ЬА, затем также намечаем расчетный водоупор M"N", соответствующий положению дна верхнего бьефа на уровне b'A'.

при /п > (/п)пред == Ю /пр расчетный водоупор. должен, разумеется, совпадать с линией M"N"\ при /п = 0 расчетный водоупор должен совпадать с линией M 'N ', В соответствии с этим на рис. 78 и показана

ось z, начало которой должно всегда находиться на линии M'N' V

29. Учет водопроницаемости шпунтовых свайных рядов

Как известно [33—36], благодаря наличию небольших щелей ме­ жду отдельными сваями, входящими в состав шпунтовых рядов, свай­ ные шпунтовые ряды, устраиваемые под плотинами, всегда являются в большей или меньшей мере водопроницаемыми. Только при опреде­ ленных условиях можно пренебрегать водопроницаемостью шпунтов и рассматривать их как абсолютно водонепроницаемые стенки (дохо­ дящие или не доходящие до водоупора). Выше всюду мы и имели1

142

в виду этот случай. Однако в практике могут встречаться также случаи, когда водопроницаемостью шпунтовых рядов пренебрегать недопу­ стимо.

Ниже описываются способы, с помощью которых можно учесть при фильтрационном расчете водопроницаемость обычного свайного шпун­ тового ряда (шпунта), металлического, деревянного или железобе­ тонного, выполненного путем забивки (погружения) свай в грунт.

1°. Случай шпунта, доходящего до водоупора (при глубинной схеме подземного контура)

Здесь согласно Е. А. Чугаевой [33, 34] рассматриваемый шпунто­ вый ряд (рис. 79) следует для расчета заменить некоторым я д р о м (вертикальным слоем грунта), имеющим тот же коэффициент фильтра­

ции, что и окружающий грунт; толщина данного ядра обозначается

шпунта нет); Іх — длина грунтового массива, показанного на рис. 79, а (где шпунт имеется).

143

что при фильтрационном расчете грунтового массива, полностью пе­ ресеченного шпунтом, мы должны вовсе опускать из рассмотрения шпунт; но при этом длину грунтового массива должны увеличивать на величину ф.

Выполнив такого рода преобразование действительной схемы под­ земного контура, содержащей, например, три водопроницаемых шпунта (рис. 80, а), мы в результате получим расчетную схему, пред­ ставленную на рис. 80, б, где через ф1( ф2 и ф3 обозначены виртуаль­ ные толщины трех заданных шпунтов. Сам расчет полученной расчет­ ной схемы должен выполняться так, как было пояснено ранее: при помощи метода коэффициентов сопротивления или при помощи спо­ соба удлиненной контурной линии.

Результаты расчета схемы, показанной на рис. 80, б, переносим на схему, показанную на рис. 80, а, исключая из рассмотрения те ядра, которыми мы заменяли шпунты: напоры в точках 2, 3, 4, 5 схемы а будут равны напорам в соответствующих точках 2, 3, 4, 5 схемы б; выходной градиент в точке 6 на рис. 80, а будет равен выходному гра­ диенту в точке 6 схемы на рис. 80, б.

Что касается численных значений ф для различных шпунтов, то здесь можно привести следующие данные.

1. Е. А. Чугаева [36] приводит таблицу величин ф, полученных на основании лабораторных опытов и натурных наблюдений (табл. 2). Необходимо отметить, что В. П. Недрига и Е. Я. Хапалова в своей работе [17] оценивают водопроницаемость шпунтового ряда не вир-

Таблица 2

Значения ф

144

туальной толщиной ср (как было предложено Е. А. Чугаевой), а не­ которым коэффициентом г| (в процентах), который, как легко пока­ зать, связан с величиной ср следующей зависимостью:1

Легко видеть, что величина ср является значительно более удобной

инаглядной характеристикой водопроницаемости шпунтов. Введение в литературу параметра т], с нашей точки зрения, только осложняет

изапутывает вопрос.

2. Обработка материалов по Цимлянской плотине, проведенная по нашей просьбе Л. Н. Павловской, дала значительный разброс точек.

й) If

6

ШпунтАЦ 4 5

ШпунтШ Шпунт

S 's

7777777777777777777777777777777777777777777777777Г,

Рис. 80

Однако с достаточной осторожностью на основании этой обработки можно рекомендовать ср = 100—200 м.

3. Джаспар и Рингхейм в статье «Исследование противофильтрационной эффективности стального шпунта» [66] *2 сообщают, что по проведенным ими опытам в лаборатории, в случае «свободных» шпун­ товых соединений, заполненных в некоторой мере песком, ср = 9 м; в случае же «затянутых» (напряженных) шпунтовых соединений, «за­ битых» песком, величина ср = 90 м. Дополнительно указанные авторы отмечают, что для одной из плотин США, находящейся в эксплуата­ ции свыше 15. лет, величина ср, будучи вычислена на основании пока­ заний пьезометров, установленных на плотине, оказалась равной 150— 180 м\ для. плотины же, построенной в Канаде и эксплуатиро­ вавшейся около 10 лет, величина ср оказалась равной примерно 180 м.

•1 Исходя из этой зависимости в пп. 2, 4 и 6 табл. 2 и были установлены зна­

Е. А. Чугаевой, причем для расчета предлагается пользоваться виртуальной толщиной шпунта.

Нам представляется, что поскольку до последнего времени шпунты рассматривались как абсолютно водонепроницаемые преграды, в на­ стоящее время в соответствии с приводимыми выше материалами можно рекомендовать для расчета (при условии тщательного производства работ с соблюдением требований, рекомендуемых Е. А. Чугаевой [33, 35]) ср = 100-ь 200 м. Разумеется, эта рекомендация требует дальнейшего уточнения.

Надо подчеркнуть, что рекомендуемые значения, столь большие по сравнению со значениями ср, найденными в лаборатории (см. выше), могут быть объяснены только тем, что щели шпунтового ряда, по­ строенного в натуре, могут сравнительно быстро кольматироваться.1 В условиях, когда такого кольматажа ожидать нельзя, величина рас­ четного значения tp, по-видимому, должна быть уменьшена (например, до значения ср = 50 м и менее).

2°. Случай шпунтов, не доходящих до водоупора (случай «висячих» шпунтов)

Представим на рис. 81 простейшую схему шпунтового ряда. Обо­ значим коэффициент сопротивления для заштрихованного на чертеже

Рис. 81 Рис. 82

Если величина а нам известна, то значение коэффициента сопро­ тивления £ в случае любого фрагмента, имеющего в своем составе шпунтовый ряд, можно с достаточной точностью определить по фор-

МУЛв £ = Е * ш + (Т(С непрон -£б .ш ), ' (2 4 5 )

1 Возможно, впрочем, что уменьшение с течением времени величии ф (в на­

туре) может быть объяснено явлением так называемой облитерации (возникно­ вением у стенок щели слоев молекул воды, определенным образом ориентиро­ ванных).

146

где £непрон — коэффициент сопротивления любого рассматриваемого фрагмента, найденный в предположении, что шпунт является абсо­ лютно водонепроницаемым; £б. ш — коэффициент сопротивления рас­ сматриваемого фрагмента, найденный при условии, что шпунт вовсе отсутствует; очевидно, что величина £б-ш для схемы на рис. 81 равна нулю; для схемы на рис. 82 (см. входной заштрихованный фрагмент) величина £б<ш равна 0,44, для схемы на рис. 83, а величина £б ш должна определяться из рассмотрения схемы на рис. 83, б и т. д.

В результате исследования простейшей схемы шпунта, изображен­ ной на рис. 81, С. Н. Нумеров [19], используя некоторые гипо­ тезы, нашел соответствующую расчетную зависимость для коэф­ фициента ст, причем на осно­

доупора).

Анализируя график С. Н. Нумерова на рис. 84, можно видеть, что при некоторых значениях s/T и ф/Т, несмотря на наличие водопро­ ницаемости шпунта (иногда даже очень большой), этой водопроницае­ мостью все же можно пренебречь и в расчетах рассматривать данный шпунт как абсолютно водонепроницаемый (см. верхнюю заштрихо­ ванную часть графика, где значения а отличаются от единицы менее чем на 5%). Равным образом из графика на рис. 84 можно видеть, что существуют и такие комбинации значений s/T и ф/Т, при которых во­ допроницаемый шпунтовый ряд вовсе можно не учитывать в расчетах (см. нижнюю заштрихованную часть графика, где значения а отли­ чаются от нуля менее чем на 5%).

Учитывая сказанное и основываясь на рис. 84, мы построили осо­ бый график, представленный на рис. 85. Как видно, поле этого гра­ фика разбито двумя кривыми на три отдельные зоны. В том случае, когда заданные значения s/T и ф/Т дают точку в верхней зоне графика

(в зоне Б), вовсе не следует учитывать водопроницаемость шпунта (шпунт надлежит рассматривать как абсолютно водонепроницае­ мый); в том случае, когда заданные значения s/T и ср/Т дают нам точку в нижней зоне графика (в зоне В), при расчете вовсе не следует учиты­ вать шпунтовый ряд (в этом случае шпунтовый ряд благодаря нали­ чию в нем щелей практически никакой роли в фильтрационном отно­ шении не играет); наконец, когда заданные значения s/T и ср/Т дают нам точку в средней зоне графика (в зоне А), то при определении

Как видно, следуя поясненному приему, получаем возможность определять коэффициент сопротивления £ для элементов подземного контура с учетом водопроницаемости шпунтов. Зная величины £, фильтрационный расчет заданного подземного контура надо выпол­ нять как пояснялось ранее.

Разумеется, предлагаемый фильтрационный расчет носит прибли­ женный характер. Значительную погрешность в расчете мы можем получить благодаря тому, что в настоящее время еще нет возможности установить точные значения параметра ср (фильтрационной характе­ ристики шпунта). Имея это в виду, рационально несколько упростить поясненный ранее прием расчета.

148

Выше было показано, что в часто встречающихся случаях, когда

— <0,4-г-0,5, мы можем оперировать коэффициентами сопротивле­

б) применительно к схеме на рис. 83, б в виде:

Из рассмотрения формул (249) и (250) видно, что при расчете под­ земного контура, образованного, в частности, водопроницаемыми

укороченными водонепроницаемыми шпунтами), очевидно, выпол­ няется обычным способом. Результаты этого расчета будут относиться к заданной нам схеме подземного контура с водопроницаемыми шпун­ тами.

Этот способ расчета в случае s/7’<<0,4 -г-0,5 будет, разумеется, таким же точным, как и способ, поясненный выше. Применяя же на­ званный способ к случаям, когда шпунты относительно длинные, ( s /7 > 0,4 ч- 0,5), мы будем вносить в расчет некоторую погрешность, однако такая погрешность в громадном большинстве случаев не будет существенной.

В заключение надо подчеркнуть, что глубина активной зоны филь­ трации при расчете условной схемы контура (с укороченными шпун­ тами) должна, разумеется, назначаться из рассмотрения укороченной длины шпунтов as, а не из рассмотрения действительной их длины s.

Заметим еще, что при определении по графику на рис. 84 коэффи­

149