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

35. Расчет казуальной фильтрационной прочности грунта основания по методу контролирующего градиента

1°. Общие указания

Как отмечалось в § 33, казуальную прочность основания следует оценивать, например, некоторым средним пьезометрическим уклоном / к, который мы условились называть контролирующим уклоном (гра­ диентом).

Очевидно, условие прочности основания в данном случае должно

где JK— « д е й с т в у ю щ и й » контролирующий уклон, вычислен­ ный исходя из имеющихся размеров подземного контура; (JK —

д о п у с к а е м ы й контролирующий уклон.

Ясно, что подземный контур должен быть запроектирован таким образом, чтобы условие (290) было выдержано. Ясно также, что ве­ личина JK в зависимости (290) должна определяться, исходя из м а к - с и м а л ь н о г о напора Z, который достаточно продолжительно действует на сооружении. Поскольку для рассматриваемого здесь возможного разрушения плотины потребно все же значительное время, то редкие (случайные) повышения напора Z, имеющие незна­ чительную продолжительность, при расчете не должны учитываться.

В случае анизотропного грунта основания следует, очевидно, под­ вергать расчету согласно зависимости (290), приведенную («искажен­ ную») схему сооружения, полученную, как указывалось в § 31, п. 1°.

где s — глубина погружения шпунтов (при двух или нескольких шпун­ тах разной глубины s — глубина шпунта, имеющего наибольшую ве­ личину s); I — расстояние между шпунтами (при одном шпунте / — длина наибольшего горизонтального элемента контура, расположен­ ного с одной стороны шпунта).

В этом обычно встречающемся случае контролирующий уклон JK рационально вычислять по формуле

(292)

расч S t

где Z — расчетный напор на сооружении; Трясч — заглубление рас­ четного водоупора (§ 19); 2g — суммарный коэффициент сопротивле­

170

ния рассматриваемого подземного контура, вычисляемый при расчет­

ном водоупоре, который определяется глубиной Гра^; Л — вирту­ альная длина подземного контура (см. § 25),

Величина Л представляет собой длину воображаемого фильтрацион­ ного потока прямоугольной формы (рис. 97, б), имеющего высоту

Трасч и характеризующегося тем же сопротивлением, что и действи­ тельный фильтрационный поток (рис. 97, а):

Рис. 97

При одинаковых напорах Z и одинаковых коэффициентах фильтра­ ции величины фильтрационного расхода q для действительной схемы на рис. 97, а и для воображаемой схемы на рис. 97, б должны быть одинаковы.

При соблюдении условий (164) величина Л в формуле (292) может определяться также по формуле (170).

Рассматривая схемы подземного контура, удовлетворяющие усло­

где JrK — уклон пьезометрической линии РР, построенной для го­ ризонтальных элементов контура (рис. 98).1

При использовании общей формулы (292), а также формулы (297), относящейся к частному случаю (296), надо иметь в виду следующие обстоятельства.

1 Справедливость соотношения (297) при условии (296) можно доказать непосредственными подсчетами.

171

1. При соблюдении условия (296) величина / к, определенная, как -указано выше, оказывается равной:

где qr — приведенный расход для рассматриваемой схемы контура,

скоростей фильтрации для вертикального живого сечения WW, на­

-Зпюріаѵриведенныхпри тростей

Ж

W

Рис. 98

ном случае, согласно формуле (298), осуществляем при помощи при­

Заметим еще, что в соответствии с формулами (298) и (302) вели­ чина JKдля рассматриваемой схемы контура может, разумеется, оп­ ределяться не только теоретически (по методу коэффициентов сопро­

172

тивления или по другому какому-либо методу), но также при помощи экспериментального метода ЭГДА.

Из всего сказанного выше видно, что при условии (291) ка­

лагать, что такая оценка прочности грунта основания в данном слу­

тельно, зависимость (292) в случае чистого шпунта оказывается ли­ шенной физического смысла.

С другой стороны, в случае чистого шпунта, достаточно заглублен­ ного в грунт (что всегда должно иметь место в практике), максималь­ ный выходной уклон / ВЬ]Хна поверхности дна нижнего бьефа уже не является величиной местного значения; в этом случае J BbIX будет пред­ ставлять собой величину, до некоторой степени характеризующую весь фильтрационный поток в целом.

Учитывая это обстоятельство, в качестве контролирующего уклона

Пользуясь формулой (303), надо иметь в виду, что в случае симмет­ ричной схемы чистого шпунта (рис. 100, б) при глубоком залегании действительного водоупора величина / ВЬІХ примерно на 10% менее среднего пьезометрического уклона для участков контура 1—2 и 4—5, намеченных с расчетом исключить из рассмотрения участок шпунта 2—3—4, которому свойственно резкое м е с т н о е падение напора; этот последний участок не является характерным для о с н о в н о й части области фильтрации, которая представляет интерес при рас­ смотрении казуальной фильтрационной прочности основания.

Будучи вынужденными принять различные критерии прочности для обычной схемы на рис. 97, а и для схемы чистого шпунта

173

(рис. 100), мы далее сталкиваемся с необходимостью увязать между собой две поясненные выше расчетные схемы.

Чтобы получить такую увязку, дополнительно намечаем еще два случая подземногоконтура.

В. Случай схем подземного контура, близких к чистому шпунту. В случае, когда (рис. 101)

(304)

при оценке казуальной прочности основания можно (в запас) отбра­ сывать горизонтальные элементы контура и рассчитывать заданную схему как чистый шпунт, т. е. определять JK-по формуле (303).

Рис. 101

Г. Случай промежуточной схемы контура. В этом случае, когда

(305)

величину 7К, очевидно, следует устанавливать, сообразуясь с данными, приводимыми как в п. «А», так и в п. «Б».

Как видно из приведенного выше изложения, в выборе расчетных выражений для / к мы допускаем некоторый произвол. Однако такое положение не может иметь здесь существенного значения, поскольку, исходя из тех же расчетных выражений (что приводились выше), мы будем определять и величины (7к)д (см. ниже).

3°. Определение допускаемого значения контролирующего пьезометрического уклона (7 к)д

Как было отмечено в § 33, допускаемые значения / к не могут быть найдены на основании опытов, проводимых в лаборатории. Само со­ бой разумеется, что значения ( /к)д не могут быть также установлены

на основании тех или иных теоретических соображений.

Таким образом, для определения ( /к)д остается только два пути:

а) опытное строительство плотин, т. е. опыты в натуре; б) обработка статистических данных по уже осуществленным плотинам, т. е. тот путь, который в свое время был избран В. Бляем и Е. Леном.

174

Мы вынуждены были стать на второй путь. В соответствии с этим нами были собраны материалы по различным построенным плотинам. Значительная часть этих материалов была заимствована из альбома Е. Лена.1 Наряду с этим нами были учтены также материалы, отно­ сящиеся к плотинам, построенным в самое последнее время (снабжен­ ным обратными фильтрами 21 и т. п.). Нам удалось использовать дан­ ные по 175 осуществленным плотинам, из которых 39 построено на плотной глине, 18 на суглинке, 62 — на крупном песке и гравии, 12 — на среднезернистом песке, 44 — на мелкозернистом песке и иле.

Все эти плотины были разбиты на две группы: 1) плотины, схема подземного контура которых близка к схеме чистого шпунта;

2) плотины, схема подземного контура которых отлична от схемы чистого шпунта.

Данные, относящиеся к этим двум группам плотин, в виде особых таблиц (в которых, в частности, даются схемы подземного контура плотин) опубликованы в первом издании предлагаемой книги [50].

Внастоящем издании книги мы эти таблицы не помещаем.

Вупомянутых таблицах приведены подсчеты величин J Kдля рас­

сматриваемых плотин.3 Эти подсчеты величин JK выполнялись так, как указано выше в п. 2° настоящего параграфа. Следует отметить, что при определении величин JKдействительный водоупор всюду при­ нимался расположенным на большой глубине,4 в связи с чем коэффи­ циенты сопротивления нами вычислялись для расчетного водоупора,

определяемого глубиной ТакПредварительно имевшиеся конструк­ тивные чертежи подземных частей плотин заменялись соответствую­ щими расчетными схемами подземного контура.

Важно подчеркнуть следующее обстоятельство. В использованных

рактеристики указанных грунтов, даваемые в виде, например, таких названий отдельных грунтов: «плотная глина», «крупнозернистый песок» и т. п. В связи с таким положением нам пришлось (по примеру В. Бляя и Е. Лена) найденные для разных плотин величины JKгруп­ пировать по видам основания плотин, определяемым упомянутыми общими качественными (а не количественными) характеристиками. Всего было намечено (в соответствии с имевшимися в нашем распоря­

этих м атериалов, вы полненной Е . Л еном [ 6 8 ], на основании которой он получил

175

глина», 2) «крупный песок, гравий»; 3) «суглинок», 4) «песок средней крупности», 5) «мелкий песок, ил».

Значения Ук, найденные исходя из действительных размеров пло­ тин, для указанных пяти видов грунта основания представлены на рис. 102, а и 6} (рис. 102, а относится к схеме подземного контура в виде чистого шпунта, для которого JK — Увых; рис. 102, б относится к остальным схемам подземного контура).

На этих рисунках имеется пять горизонтальных осей, из которых каждая ось соответствует определенному грунту основания. Вдоль этих осей и отложены найденные величины JK, причем кружками на чертеже отмечены величины. / к, относящиеся к благополучно работаю­ щим плотинам, а крестиками — / к, относящиеся к разрушившимся плотинам. Дополнительно на чертеже отмечены плотины без обратных фильтров, плотины с обратными фильтрами и, наконец, плотины с естественными обратными фильтрами, .т. е. такими фильтрами, которые образовались естественным путем в процессе эксплуатации плотины.

Обратимся к анализу графиков на рис. 102, а и б.

Прежде всего надо подчеркнуть, что количество разрушившихся плотин (отмеченных на чертежах крестиками) столь мало, что учиты­ вать эти плотины при обработке полученного материала едва ли сле­ дует.

Далее можно отметить, что рассмотрение графиков на рис. 102 совместно с упомянутыми выше таблицами позволяет сделать вывод, что значения Укі на которые проектировались и строились плотины, с течением времени имеют тенденцию увеличиваться; например, зна­ чения JK для плотин Верхне-Свирской, Рыбинской, Дубосарской, Волжской ГЭС имени В. И. Ленина и Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС, Каховской и для других новых плотин относительно

лагаются области не проверенных опытом значений JK, на которые плотины до сего времени еще не строились (в эти области попадают только три-четыре известные нам благополучно работающие плотины).

Обозначим через (^к)макс величины JK, отвечающие линии M^N Разумеется, нельзя утверждать, что допускаемые значения (JK удов'

тинам ) поставлены соответствую щ ие номера, под которы ми данны е плотины

176

не исключается возможность, что

р е с с а , он учитывает, что с течением времени качество конструиро­ вания плотин, производства работ и предварительного-исследования грунта повышается. -

При составлении ТУиН МЭС [46] численные значения п решено было принять: для плотин I класса по капитальности п — 1,0; для плотин II класса п — 1,1, III класса п = 1,2, IV и V классов п — 1,3. Как видно, при таких значениях п для плотин I класса (для наиболее ответственных плотин) получаем соотношение (306). Что касается плотин менее ответственных, то для них при указанных значениях п начинает действовать зависимость (308).

Очевидно, принимая для ( /к)д формулу (308), мы как бы «насту­

паем» на неизведанную нами область, расположенную правее линии M XN 1 (рис. 102), выдвигая при этом вперед малоответственные соору­ жения (перемычки и т. п.). Ясно, что если такого рода «разведка», осуществленная за счет малоответственных сооружений (строитель­ ство которых можно рассматривать как опытное по отношению к бо­ лее ответственным сооружениям), даст положительный эффект, то

стечением времени можно будет повысить численные значения (7к)д

идля сооружений высшего класса.

Пользуясь формулой (308) и указанными выше значениями коэффи­ циента п, мы получили в .1957 году величины допускаемых контроли­ рующих градиентов (7к)д, приведенные в табл. 3. Эта таблица была

При составлении СНиП, относящихся к плотинам, расположен­ ным на нескальном основании [55], исходя из опыта гидротехниче­ ского строительства последних лет было решено, в соответствии с на­ шими соображениями, изложенными выше, з н а ч и т е л ь н о п о ­ в ы с и т ь (по сравнению с данными табл. 3) величину (7к)д. Эти но­

вые, так сказать, официальные значения ( /к) (утвержденные Госстроем

СССР) приводятся 1 в табл. 4. Следует учитывать, что эти данные от-

} В [5 1 , с. 190] нами была приведена «более осторож ная» табл ица повы ш ен­

178

№Наименование грунта, слагающего

носятся к подземному, контуру обычного вида (см. п. 2°, А); что ка­ сается схем подземного контура в виде чистого шпунта (см. п. 2°, Б), то для таких схем величины (JK должны приниматься несколько меньшими (примерно на 10%). д

Используя данные табл. 4, необходимо согласно предлагаемому нами способу контролирующих градиентов [в соответствии с форму­ лой (290)] проверять казуальную фильтрационную прочность задан­ ного подземного контура.

ном обосновании (нали чи е подробны х данны х и зы сканий , специально проведен­