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

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ ПЛОТИН

32. Предварительные уназания. Краткий обзор предложений по вопросу об учете фильтрационной прочности основания плотины

Известно, что большинство аварий с плотинами, расположенными на нескальном основании, произошло из-за размыва их основания фильтрационным потоком. Такой размыв основания плотины обуслов­ ливается явлениями суффозии и фильтрационным выпором грунта, описанными выше в § 3. Напомним, что в этом параграфе фильтрацион­ ной прочностью грунта основания мы назвали способность его сопро­ тивляться суффозии и выпору.

Очевидно, что при проектировании подземного контура плотины следует сопоставлять (в экономическом и прочих отношениях) такие варианты контура, которые характеризуются одинаковой фильтра­ ционной прочностью, причем плотина по окончательно принятому варианту должна иметь достаточную фильтрационную прочность ос­ нования. Излишнюю фильтрационную прочность, если она не обуслов­ ливается какими-либо особыми соображениями, следует, разумеется, считать нежелательной.

Вопрос о прочном в фильтрационном отношении основании пло­ тины ставился рядом исследователей еще в прошлом столетии. Однако практически приемлемые расчетные положения, относящиеся к во­ просу о фильтрационной прочности, впервые были высказаны только в 1910 г. В. Бляем [59]. Как хорошо известно, расчет фильтрационной прочности грунта основания плотины, по В. Бляю, заключается в вы­

тается, что в случае, когда действительная длина контура L оказы­ вается меньше LMHH, основание плотины может быть разрушено филь­ трационным потоком.1

Вопросом о фильтрационной прочности грунта на основе решений математической теории фильтрации впервые начал заниматься, Н. Н. Павловский, причем им были отмечены, в частности, следующие моменты [20, 23]:

а) несостоятельность метода В. Бляя, а также других старых ме­ тодов расчета фильтрационной прочности основания плотин;

б) наличие в основании плотины так называемых фокусов размыва и влияние их на прочность основания;

160

в) необходимость учета при проектировании подземного контура его формы;

г) необходимость введения понятий допустимой скорости фильтра­ ции и допустимого гидравлического градиента по дну нижнего бьефа.

Несколько позже (в 1935 г.) [51 ] Н. Н. Павловским было введено также понятие потенциальной функции поля фильтрационных сил.

Существенный вклад в развитие данного вопроса в свое время внесли В. С. Баумгарт и Р. Н. Давиденков [3], которые, основываясь на работах Н. Н. Павловского и К. Терцаги, предложили рассчиты­ вать фильтрационную прочность плотин на фильтрационный выпор грунта в нижнем бьефе, причем названные авторы дали также соот­ ветствующие расчетные зависимости для определения толщины слоя водопроницаемой пригрузки нижнего бьефа, обеспечивающей отсутст­ вие выпора.1 При таком подходе к вопросу В. С. Баумгарт и Р. Н. Да­ виденков получили весьма короткие подземные контуры плотин.

Необходимо также обратить внимание на хорошо известную у нас работу Е. Лена [68]. Согласно Е. Лену при расчете фильтрационной прочности основания отыскивается не минимальная длина подземного контура (как у В. Бляя), а минимальная величина некоторой вирту­

где LB— суммарная длина вертикальных участков подземного кон­ тура,12 Lr — суммарная длина горизонтальных участков подземного контура.

Для минимального допустимого (по соображениям фильтрацион­ ной прочности) значения L0 Е. Лен дает зависимость

Надо подчеркнуть, что численные значения коэффициентов с и с0, входящих в формулы (285) и (287), В. Бляй и Е. Лен находили путем обработки статистических данных по уже построенным плотинам (по плотинам благополучно работающим и по плотинам разрушившимся). Так, например, Е. Лен в своей работе [68] рассматривает около 200 каменных плотин, построенных в разное время в различных странах.

Можно считать, что после работы Е. Лена развитие вопроса о рас­ чете фильтрационной прочности основания плотин приостановилось. Только в 1954 г. в печати появилась брошюра ВНИИ Водгео [57], в которой в достаточно широкой и общей форме ставится рассматривае­ мый вопрос, причем приводятся некоторые новые рекомендации. В дан­ ной брошюре предлагается следующее.

1 В. С. Баумгарт и Р. Н. Давиденков в своей статье вместо термина в ы п о р г р у н т а часто применяли термин в ы н о с г р у н т а (в то время еще не было дано разделение фильтрационных деформаций грунта на два вида, указан­ ные в § 3).

2 При вычислении LB считается, что шпунт длиной s характеризуется дли­ ной вертикальных участков контура, равной 2s.

161

1. Д л я п р е д в а р и т е л ь н о г о н а з н а ч е н и я разме­ ров контура предлагается:

а) в случае, когда имеем плоский флютбет, причем коэффициент разнозернистости грунта г|^> 10 -г- 20, длину подземного контура назначать по В. Бляю, принимая коэффициент Бляя с = 6,5 [57, рис. 6];

б) в остальных случаях подземного контура (отличных от плоского флютбета) длину элементов подземного контура принимать, придер­ живаясь различных эмпирических данных (согласно которым длина этих элементов выражается в долях напора, действующего на соору­ жении).

2. П р и о к о н ч а т е л ь н о м у т о ч н е н и и размеров кон­ тура предлагается:

а) в случае песчано-гравелистых грунтов основания при 10 < г| -<20 размеры и форму подземного контура проектировать так, чтобы мак­

размеры и форму подземного контура проектировать так, чтобы / пых = = 0,20 -4- 0,23;

в) в случае песчано-гравелистых грунтов основания при г|< 10 и в случае глинистых (связных) грунтов прочные в фильтрационном отношении размеры подземного контура принимать в соответствии

срасчетом грунта на выпор в нижнем бьефе (по В. С. Баумгарту и

Р.Н. Давиденкову), вводя в расчет коэффициент запаса 1,3— 1,5.

Авторы рассматриваемой брошюры, развивая способ расчета В. С. Баумгарта и Р. Н. Давиденкова, дают дополнительно:

а) приближенный прием учета сил сцепления при расчете грунта на выпор;

б) приближенный, несколько условный, прием расчета выпора грунта в случае так называемого плоского выхода фильтрационного потока (получающегося в случае плоского флютбета).1

Необходимо особенно подчеркнуть то обстоятельство, что до 1954— 1955 гг., несмотря на ряд попыток улучшить методы проектирования подземного контура (предпринятых Н. Н. Павловским, В. С. Баумгартом и др.), в проектных организациях СССР расчеты все же фак­ тически всегда велись по методам В. Бляя и Е. Лена. К этим методам расчета проектировщики прибегали, несмотря на то, что коэффици­ енты с и с0, данные В. Бляем и Е. Леном, давно устарели,12 да и сама

вило. отказываться от «плоского выхода» и идти на устройство выходного зуба. «Плоский выход» в данной брошюре допускается только в случае, если устрой­ ство низового зуба вызывает сильное удорожание сооружения. Однако в § 26 названной брошюры отмечается, что в случае песчано-гравелистых грунтов, характеризуемых т])> 1 0 -^ 2 0 , всегда надлежит устраивать низовой зуб глу­ биной не менее 0,5 м.

В- 1960 г. брошюра была переработана [57, 1960 г.].

2 Впрочем в литературе встречаются попытки (предпринятые М. М. Гри­ шиным, É. А. Замариным и др.) уточнить величину коэффициентов с и с0, сооб­ разуясь с опытом современного гидротехнического строительства.

162

В период 1955—1958 гг. нами был опубликован ряд статей, докла­ дов и брошюр [41—45; 62], в которых кратко освещались различные стороны данного вопроса в процессе его разработки. В 1958 г. были опубликованы составленные на основании наших исследований «Тех­ нические условия и нормы» Министерства электростанций СССР [46, 49], в которых подробно пояснялся предложенный нами метод рас­ чета фильтрационной прочности нескальных оснований и земляных сооружений.

Эти нормы после опубликования в 1962 г. первого издания настоя­ щей книги нашли отражение в СНиП [55]. Они также были переве­ дены за рубежом на английский язык [74] и получили распростране­ ние за границей. Применительно к случаю проектирования земляных плотин вопросы фильтрационной прочности были освещены нами

в[51 ].

Взаключение укажем, что в последнее время наши методы расчета фильтрационной прочности грунта многократно обсуждались на стра­ ницах журнала «Гидротехническое строительство».

33. Нормальная и казуальная фильтрационные прочности основания плотин

Анализируя вопрос о фильтрационной прочности грунта основа­

пример на контакте дна нижнего бьефа и покрывающего его обратного фильтра, в области выходного фрагмента основания, где может прои­ зойти выпор грунта, на контакте крупнозернистых и мелкозернистых грунтов, слагающих основание и т. п.;

ности в таких местах могут носить в некоторой мере н е о п р е д е ­ л е н н н ы й, как бы случайный характер. В качестве примеров на­ рушения такой прочности можно привести образование зон разрых­ ленного грунта или раскрытие (полное или частичное) в отдельных местах продольного профиля плотины поперечных ходов (щелей) со­ средоточенной фильтрации под плотиной либо из-за недостаточно качественного производства работ, либо из-за неучтенной неравно­ мерной осадки плотины, либо из-за внутренней суффозии, обуслов­ ленной неучтенной неоднородностью грунта, либо из-за осадки грунта под плотиной в пределах горизонтальных элементов подзем­ ного контура при отсутствии осадки самой плотины.

Разумеется, даже качественную картину нарушения такой проч­ ности трудно предусмотреть.

Назовем условно фильтрационную прочность грунта, которая мо­ жет быть нарушена в заранее определенных местах п о п е р е ч н о г о профиля плотины (см. выше п. 1), — н о р м а л ь н о й фильтрацион­ ной прочностью. Фильтрационную же прочность грунта, которая мо­

163

грунта основания, в связи, например, с возникновением сосредоточен­ ной фильтрации — см. выше п. 2), назовем к а з у а л ь н о й (слу­ чайной) 1 фильтрационной прочностью.21

Совершенно очевидно, что в прошлом столетии, когда теория про­ ектирования плотин, методы изысканий и производства работ нахо­ дились на относительно низком уровне, на казуальную прочность следовало обращать особенно серьезное внимание. Не исключается, что в будущем, когда теория и практика плотиностроения поднимутся на большую высоту, всякого рода случайные моменты должны будут вовсе исключаться из работы плотины, в связи с чем не будет необхо­ димости учитывать и ту прочность основания, которую мы назвали казуальной. Однако в настоящее время, как нам представляется, в какой-то мере данная прочность еще долдша учитываться.

Ясно, что различные поперечные сечения построенной плотины фактически всегда будут характеризоваться различной фильтрацион­ ной прочностью. Поэтому в современных условиях проектирования и строительства плотин не исключается положение, когда плотина, благополучно работающая почти на всей длине своего фронта, в том или другом случайном (наиболее слабом) месте может оказаться, в силу тех или других случайных причин, промытой фильтрационным потоком.

В отношении введенного нами понятия казуальной прочности от­ метим еще следующее.

Коэффициент запаса, применяемый в расчетах, разумеется, также учитывает различные случайные обстоятельства, которые не представ­ ляется возможным учесть непосредственно. Однако коэффициент за­ паса вводится в тот или другой расчет с целью учесть только к о л и ­

гидродинамическим параметром, характеризующим весь фильтрацион­ ный поток (или основную его часть) в целом. В качестве такого пара­ метра можно принять, например, некоторый с р е д н и й пьезомет­ рический уклон JK, который может быть назван к о н т р о л и р у ю ­ щ и м п ь е з о м е т р и ч е с к и м у к л о н о м .

2 В первом издании книги [50] и в [49] применялся дополнительно второй вариант терминов: местная прочность (вместо нормальной прочности) и общая прочность (вместо казуальной прочности). Следует отметить, что этот вариант данных терминов надо считать неудачным. Действительно, нарушение казуаль­ ной прочности происходит в виде раскрытия сосредоточенных ходов фильтрации, следовательно, здесь мы имеем м е с т н о е (а не общее) нарушение прочности.

164

Разумеется, допустимые значения JKне могут устанавливаться на основании лабораторных исследований данного грунта даже при ус­ ловии введения в найденные лабораторные значения / к коэффициента запаса, численные значения которого принимают, например, сообра­ зуясь с практикой обычных статических расчетов. Такое положение объясняется тем, что величина JKдолжна учитывать снижение филь­ трационной прочности основания, обусловленное как раз теми факто­ рами, которые нет возможности воспроизвести в лабораторных усло­ виях (некачественность производства работ, неучитываемая неравно­ мерность осадки основания и т. п.; см. выше).

Из сказанного ранее вытекает, что с течением времени, по мере улучшения качества производства работ, конструирования плотин и исследования основания, казуальная фильтрационная прочность ос­ нования строящихся плотин должна постепенно повышаться, причем допустимые значения Ук с развитием практики строительства плотин

быть рассчитана, исходя из обычных представлений механики, коль скоро здесь идет речь о рассмотрении явлений, ясных с качественной стороны, причем расчетные условия всегда могут быть с той или дру­ гой точностью установлены. Например, исследуя устойчивость грунта нижнего бьефа на фильтрационный выпор, мы, представив себе общую схему разрушения грунта, можем выявить величину фильтрационных сил, действующих на грунт, и затем, введя в расчет соответствующий коэффициент запаса, оценить и степень устойчивости этого грунта.1

34. Четыре концепции при исследовании вопроса о расчете фильтрационной прочности основания плотин. Критическое рассмотрение этих концепций

Анализируя соображения, касающиеся фильтрационной прочно­ сти, которые приводятся в литературе, приходим к заключению, что в данном вопросе в настоящее время существуют четыре различные концепции.

С о г л а с н о 1-й к о н ц е п ц и и , поступаем следующим образом: а) устанавливаем некоторый гидродинамический показатель филь­

чину указанного показателя суммарной (или, точнее, казуальной) фильтрационной прочности допускаемым его значением.

меры подземного контура задаем, исходя из величины максимального выходного пьезометрического уклона на поверхности дна нижнего

1 Разъяснение понятия казуальной прочности в несколько иной редакции (чем это дано в § 33), освещающей некоторые дополнительные стороны рассмат­ риваемого вопроса, проводится нами в [51, с. 171].

165

бьефа. Эта концепция в 1954 г. была использована ВНИИ Водгео для

В.С. Баумгартом и Р. Н. Давиденковым [3], также использованной

в1954 г. ВНИИ Водгео [57], поступаем следующим образом:

а) как и в случае 2-й концепции, величину какого-либо гидроди­ намического показателя, характеризующего весь фильтрационный по­ ток в целом, вовсе не ограничиваем;

б) для достижения фильтрационной прочности всего основания

вцелом обеспечиваем только местную нормальную прочность грунта

вобласти выходного фрагмента основания: устраиваем соответствую­ щий обратный фильтр и задаем надлежащую пригрузку дна нижнего бьефа, чтобы выпор грунта не мог произойти.

Здесь, очевидно, предполагается, что надежный обратный фильтр может быть устроен при сколь угодно больших выходных гра­

[42—45, 48, 621.1 Очевидно, что 1-я концепция имеет в виду расчет

концепции имеют в виду расчет сооружения, основанный на рассмот­ рении фильтрационной прочности, названной нами н о р м а л ь н о й . Ясно, однако, что нам необходимо учитывать и казуальную, и нор­ мальную прочность. В связи с этим согласно 4-й концепции поступаем следующим образом:

а) сперва рассматриваем так называемую к а з у а л ь н у ю фильтрационную прочность грунта основания (см. выше) и из рассмот­ рения ее устанавливаем основные размеры подземного контура;

б) далее рассматриваем н о р м а л ь н у ю фильтрационную про­ чность, причем осуществляем дополнительные проверки намечен­ ного подземного контура: на выпор грунта в нижнем бьефе (по В. С. Баумгарту и Р. Н. Давиденкову), если ^вых^О.5 н- 0,7,12 и на внутреннюю суффозию в местах контакта крупнозернистых и мелкозернистых слоев грунта, слагающих основание;

в) наконец, исходя из величины J BbIX, проектируем обратный фильтр, покрывающий дно нижнего бьефа.

Как видно, предлагаемая 4-я концепция, которая условно названа обобщенной, характеризуется следующими особенностями:

а) основные размеры контура согласно этой концепции устанавли­ ваются из рассмотрения казуальной фильтрационной прочности ос­

1 Эта концепция в несколько иной трактовке использовалась и ранее в про­ ектной практике СССР; см., например, [4].

2 При меньших значениях / ВЬІХ выпор в нижнем бьефе невозможен. По­ скольку Jг.« примерно в 1,5—2,0 раза меньше Увых (см. п. 1° § 22), то можно считать, что выпор грунта в нижнем бьефе не может произойти (в случае распла­ станной схемы контура )при Jr.K меньших приблизительно 0,2—0,4.

166

числе случаев и не используется для установления основных разме­ ров контура;

в) величина / вых служит только для проектирования обратного фильтра, но отнюдь не для установления основных размеров контура сооружения.1

Рассмотрим подробнее каждую из приведенных выше четырех кон­ цепций.

Прежде всего подчеркнем, что 2-я концепция нам представляется ошибочной (если только, проектируя сооружение по / вых, мы не бу­ дем ограничивать минимальное значение sBb]Xвеличиной, равной при­ мерно (0,05 -г- 0,10) Трасч\ см. выше, § 27, п. 2°).21

Действительно, в соответствии со 2-ой концепцией мы, очевидно, должны утверждать, что два разных контура, характеризуемых оди­ наковыми значениями 7ВЫХ, являются равнопрочными. Однако можно привести целый ряд примеров, когда при одинаковых / ВЬІХмы будем получать явно неравнопрочные варианты. Надо учитывать, что при

же уменьшения можно и за счет увеличения глубины других шпунтов или за счет увеличения длины понура; однако увеличивать длину этих шпунтов или понура придется здесь уже не на несколько санти­ метров, а, возможно, на десятки метров. Ясно,- что схема с удлинен­ ными на десятки метров понуром и внутренними шпунтами будет во много раз прочнее, чем схема с удлиненным на несколько сантиметров низовым шпунтом. Надо подчеркнуть, что, применяя «плоский выход», мы вообще согласно 2-й концепции не сможем запроектировать под­ земный контур, так как при любой колоссальной длине контура ве­ личина / ВЬІХвсегда будет равна бесконечности. Назначение основных размеров сооружения по величине 7ВЬ1Х так же неправильно, как и назначение, например, основных размеров бетонного массива плотины по величине местных напряжений (например, по величине напряжений в углах потерны, где эти напряжения теоретически могут достигнуть величины, равной бесконечности).

Что касается 3-й концепции, то она нам представляется неприем­ лемой по следующим соображениям.

1; Данная концепция, так же как и 2-я концепция, совершенно игнорирует казуальную прочность основания. Согласно 3-й концеп­ ции мы вовсе не должны опасаться разрушения сооружения из-за какой-либо местной сосредоточенной фильтрации. Нам же представ­ ляется, что большинство разрушившихся плотин разрушилось именно из-за сосредоточенной фильтрации, а не из-за выпора грунта в ниж­ нем бьефе (возможно, что из-за выпора грунта плотины до сих пор вообще не разрушались).

2 Здесь и ниже через sBblx обозначена глубина забивки выходного шпунта или глубина выходного-зуба.

167

2. Если мы устроим обратный фильтр и создадим необходимую до­ статочно мощную пригрузку нижнего бьефа, то согласно 3-й концеп­ ции подземный контур может быть построен сколь угодно коротким (с градиентом / к сколь угодно большим). Например, для напора на сооружении, равного 100 м, мы можем, согласно 3-й концепции, по­ строить плотину с подземным контуром длиной 10 см. Такое положе­ ние, как нам кажется, является явно неприемлемым. Для примера на рис. 95, а представлена плотина с горизонтальным подплотинным дренажом, а на рис. 95, б — плотина с горизонтальным дренажом под понуром. Будем считать, что в обоих рассматриваемых случаях дре­

вопрос о длине подземного кон­ тура. В связи с этим согласно «Указаниям» ВНИИ Водгео[57 ], осно­ ванным на 3-й концепции, мы можем получать (по соображениям фильтрационной прочности) длину подземного контура для данного конкретного случая плотины л ю б о й в е л и ч и н ы от нуля до бесконечности.

В отношении 1-й концепции следует заметить, что она неприемлема’ по следующим соображениям:

1. Согласно этой концепции мы можем получать сооружения, имею­ щие недостаточную местную прочность; надо учитывать, что при не­ большой глубине выходного зуба, когда Увых > 0 , 5 0 , 7 , разруше­ ние грунта основания в области нижнего бьефа может произойти даже

вслучае весьма длинного подземного контура.

2.Гидродинамические показатели фильтрационной прочности, при­

нятые В. Бляем и Е. Леном (расчетные способы которых относятся к 1-й концепции), недостаточно хороши: показатель Е. Лена .

168

непонятен, поскольку формула (286) является совершенно необосно­ ванной; показатель же В. Бляя

имеет следующий недостаток (который свойствен также и показателю Е. Лена). Рассматривая уклон ( /К)Б, можно видеть, что этот уклон как

показатель казуальной прочности грунта может быть использован только при проектировании распластанных контуров; в случае за­ глубленного контура (рис. 96, а), когда шпунты расположены отно­ сительно близко друг к другу, приходится, как известно, переходить к другому показателю, казуальной прочности:1

где L' — длина линии 1—2—3—4 (рис. 96, а).

Положим, что мы имеем двухшпунтовую схему (рис. 96, б), к ко­ торой применима зависимость (289); положим далее, что мы дополни­

чет по В. Бляю с использованием формул (289) и (289'), после устрой­ ства третьего шпунта мы будем получать согласно этим расчетам уменьшение прочности схемы. Как видно, показатель В. Бляя ( /к = =*■Z/L), вообще говоря, приемлемый для сильно распластанных схем подземного контура, приводит нас к абсурду в том случае, когда мы переходим к заглубленным схемам контура (которые достаточно часто применяются в настоящее время).

Таким образом, признавая справедливость только о б о б щ е н ­ н о й (четвертой) концепции, мы далее и будем исходить из нее. При этом ниже мы рассмотрим отдельно учет казуальной прочности (§ 35) и учет нормальной прочности (§ 36).

Здесь же в заключение обратим внимание на следующее. В свое время Н. Н. Павловский, а также В. С. Баумгарт и Р. Н. Давиденков п р о т и в о п о с т а в л я л и свои методы расчета методу В. Бляя. Однако, как видно из приведенного выше изложения, мы не можем согласиться здесь с указанными авторами. Совершенно очевидно, что перечисленные способы расчета (способ Н. Н. Павловского, способ В. С. Баумгарта и Р. Н. Давиденкова, способ В. Бляя) по существу

169