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

и устои, у которых обратные стенки располагаются под некоторым углом, не равным 90°, к продольной стенке (рис. ПО, б);

2) у с т о й с о т к о с н ы м и к р ы л ь я м и , в частности с «ныряющими» крыльями (гребень которых уходит под горизонт воды); откосные крылья могут быть прямолинейными (рис. 111) или криво­

Достаточно часто применяют устои к о м б и н и р о в а н н о г о типа, когда, например, в верховой части устоя имеется обратная стенка, а в низовой — откосное крыло и т. п.

2°. Выбор типа устоя

Тип устоя выбирают, сообразуясь со следующими обстоятельст­ вами: а) условиями пропуска воды через отверстия плотины, б) конфи­ гурацией грунтового массива, к которому примыкает бетонная плоти­ на, в) типом и размерами затворов плотины, перекрывающих отверстия плотины, г) размещением затворов плотины и их подъемных меха­ низмов, д) размещением на плотине служебных и проезжих мостов.

Условия* фильтрации воды в обход устоя при выборе его типа, как правило, играют второстепенную роль. Эти условия -учитывают в ос­ новном только при проектировании в н у т р е н н е й поверхности устоя (поверхности устоя, обращенной-в сторону грунта).

3°. Условия, учитываемые при проектировании внутренней поверхности устоя

При проектировании внутренней поверхности устоя учитывают следующие основные соображения:

а) грунт, примыкающий к внутренней поверхности устоя, по воз­ можности должен быть маловодопроницаемым (с тем чтобы не .-полу­ чить излишне большого фильтрационного расхода воды в этом месте); с другой стороны, этот грунт должен оказывать возможно меньшее давление на продольную стенку устоя и не подвергаться пучению (например, при изменении его влажности или температуры);

б) этот грунт не должен размываться фильтрационным потоком; в) давление грунтовой воды на низовую часть устоя должно быть по возможности меньшим, а следовательно, кривая депрессии, опо­

ясывающая устой, должна лежать в этом месте возможно ниже;

190

меньшей.

Как следствие указанных основных соображений приходится раз­ личать следующие отдельные вопросы, связанные с проектированием внутренней поверхности устоя:

1) проектирование внутреннего очертания устоя в в е р т и ­

ка л ь н о м поперечном его сечении;

2)проектирование внутреннего очертания устоя в п л а н е, т. е. проектирование подземного контура устоя

3)проектирование засыпки пазухи устоя (выбор грунта для об­

разования той части насыпи, которая непосредственно примыкает к устою), а также проектирование производства работ по образованию этой засыпки; засыпку можно осуществлять параллельно с возведением устоя или после полного окончания его постройки (при этом дефор­ мации устоя будут различными, что может быть связано с возник­ новением ходов сосредоточенной фильтрации воды вдоль той или другой его поверхности); - 4) проектирование способа обработки внутренней поверхности

устоя (в частности, с учетом соображений, указанных в п. «г»).

4°. Проектирование внутреннего очертания устоя в вертикальном поперечном сечении

' По этому вопросу в литературе встречаем только статью Лейнера [69], в которой бетонные устои (в вертикальном их сечении) предла­ гается очерчивать по некоторой логарифмической кривой. Надо ска­ зать, что указанная статья содержит в себе ряд неувязок и противоречий и, как нам представляется, не может быть рекомендована для практиче­ ского использования.

С точки зрения удобства произ­ водства работ, внутреннее очертание устоя (в вертикальном сечении) должно быть прямолинейным или должно быть образовано прямой ло­ маной линией.

Каждая грань внутренней поверх­ ности устоя должна иметь некоторый уклон, обусловливающий уширение стенки устоя книзу; этот уклон дол­ жен: обеспечить плотное прижатие

грунта к устою; достаточно удобное уплотнение грунта непосред­ ственно у стенок устоя (в процессе строительства); обеспечить также условия, при которых в первый период эксплуатации (особенно в пе­ риод насыщения грунта водой) осадка грунта в пазухе устоя не при­ вела бы к появлению зон разрыхления («трещин») грунта, опасных с точки зрения возникновения сосредоточенной фильтрации. Разу-

191

меется, анализируя возможность возникновения сосредоточенных хо­ дов фильтрации вдоль внутренней поверхности устоя, приходится интересоваться и температурными деформациями проектируемой стенки устоя.

Отметим, что ограничивая бетонный устой, например, ломаной линией АВС, как показано на рис. 113, необходимо учитывать сле­ дующее обстоятельство. Если грань AB является относительно поло­ гой (например угол ос<ср, где ср — угол внутреннего трения грунта), то массив ABD благодаря наличию по поверхности AB сил трения будет давать осадку «на месте», в то время как массив DBCE будет при осадке скользить по поверхности ВС. В результате в области линии DB может появиться опасная область разрыхленного грунта, а у точки В — опасный фильтрационный ход.

5°. Проектирование подземного контура устоя

При проектировании подземного контура устоя приходится учиты­ вать безнапорную фильтрацию воды в обход сооружения.

Чтобы создать условия, при которых в области нижнего бьефа не может возникнуть местный фильтрационный выпор или внешняя суффозия, в низовой части устоя должен быть устроен соответствую­ щий дренаж, защищенный обратным фильтром.

При сопряжении устоя с земляной плотигіЬй указанный дренаж может быть осуществлен как продолжение дренажа земляной плотины, причем в районе устоя должно быть запроектировано соответствующее сопряжение дренажа земляной части плотины с дренажом водослив­ ной части плотины (если таковой имеется).

В некоторых случаях выпуск фильтрационных вод в нижний бьеф может быть осуществлен через особые отверстия, устроенные в стенке самого устоя.

При проектировании дренажа необходимо учитывать, что, прибли­ жая его к верхнему бьефу, мы при этом: а) снижаем депрессионную поверхность потока и, следовательно, уменьшаем давление грунтовой воды на стенку устоя, б) укорачиваем длину подземного контура устоя и, следовательно, снижаем фильтрационную прочность засыпки па­ зухи устоя.

С целью увеличить длину подземного контура устоя и тем самым обеспечить необходимую фильтрационную прочность грунта, примы­ кающего к устою, в некоторых случаях устраивают длинную шпору, идущую обычно нормально (в плане) к продольной стенке устоя и врезывающуюся в грунтовый массив, к которому примыкает устой (рис. 114). Длинная шпора должна располагаться в плане не ниже линии затворов плотины. Необходимая длина шпоры, а также место­ положение упомянутого выше дренажа должны устанавливаться на основании расчета фильтрационной прочности засыпки пазух устоя (см. § 41). При этом в общем случае следует рассматривать ряд равно­ прочных вариантов подземного контура устоя и выбирать на основа­ нии сравнения этих вариантов р а ц и о н а л ь н ы й подземный кон­ тур.

192

При сравнении таких вариантов необходимо учитывать снижение давления грунтовой воды на устой, обусловленное приближением дре­ нажа к верхнему бьефу (см. выше).

Д л и н н ая ш пора долж на быть устроена так, чтобы она не могла «оторваться» от продольной стенки устоя (чтобы при возможных де­ формациях устоя между про­ дольной СТеНКОЙ уСТОЯ И Стен-

выполненного из маловодопроницаемого глинистого грунта, также уширяющегося книзу; в) в виде свайной шпунтовой стенки.

Если под бетонной или железобетонной стенкой или под ядром устраивается свайный шпунтовый ряд, то этот шпунтовый ряд должен быть увязан с соответствующим шпунтовым рядом плотины. При уст­

мерно изменяющейся от длины подземного контура плотины до длины подземного контура устоя).

При отсутствии длинной шпоры шпунтовые ряды плотины должны

должны устанавливаться аналогично размерам, показанным на рис. 115.

193

Помимо длинных шпор, при проектировании бетонных и железо­ бетонных устоев могут устраиваться к о р о т к и е ш п о р ы (рис. 116).

При проектировании коротких шпор необходимо учитывать сле­ дующие соображения.

1. Если устой в результате давления на него грунта несколькоотклонится от начального своего положения, то после возможной усадки грунта засыпки на некоторых продольных участках шва со­ пряжения устоя с грунтом могут появиться зоны разрыхления грунта (щели), нежелательные с точки зрения сосредоточенной фильтрации. При этом, очевидно, наличие коротких шпор будет весьма полезным, поскольку по боковым их поверхностям упомянутые зоны разрыхлен­

ченных вдоль различных линий тока), желательно развить длину

чае же устоя благодаря возможной деформации самого устоя, а также засыпки (см. п. 6°) достаточного прижатия бетона к грунту может

не оказаться.

3. Отрицательной стороной коротких шпор является то обстоя­ тельство, что они усложняют и удорожают конструкцию устоя.

6°. Замечания о засыпке пазух устоя

Каю известно, наблюдались случаи, когда в результате неправильно выполненной засыпки пазухи подпорные стенки обрушивались.

А. И. Прилежаев в своей книге [25] говорит: «важна хорошая за­ сыпка, а не сама стенка»; К. Терцаги в одной из своих статей, анали­ зируя работу подпорных стен, отмечает, что благодаря переменной влажности грунта, а также благодаря климатическим влияниям за­ сыпка, содержащая некоторое количество глинистых частиц, перио­ дически изменяет свой объем; при этом она то дает трещины, то уплот­ няется настолько, что давление на подпорную стенку увеличивается до верхнего своего предела (до «пассивного давления»), причем, оче­ видно, стенка претерпевает некоторую деформацию, которая может

быть остаточной.

Поскольку в случае устоев напорных гидротехнических сооруже­ ний указанные выше деформации, в связи с фильтрацией являются особенно опасными, то на выбор состава грунта, идущего на засыпку

194

пазухи устоя гидротехнических сооружений, следует обращать осо­ бое внимание.

Надо сказать, что в литературе встречаются указания [6] на то, что внутреннюю поверхность бетонных устоев следует покрывать слоем глины. Вместе с тем надо признать, что данный вопрос — во­ прос о качестве засыпки — является еще мало исследованным.

ГЛАВА ШЕСТАЯ

БЕЗНАПОРНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ В ОБХОД УСТОЯ. РАСЧЕТ КАЗУАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ЗАСЫПКИ ПАЗУХИ УСТОЯ

40. Фильтрационный расчет заданного подземного контура сопрягающего устоя (при заданных отметках дна русла и горизонтов воды

в верхнем и нижнем бьефах)

Расчет безнапорной фильтрации в обход устоя при заданных от­ метках дна русла и горизонта воды в верхнем и нижнем бьефах в об­ щем случае выполняется с целью: 1) построения опоясывающей устой кривой депрессии, необходимой для статического расчета устоя; 2) оп­ ределения пьезометрического уклона фильтрационного потока, кон­ тролирующего казуальную фильтрационную прочность засыпки па­ зухи устоя.

Часто при выполнении фильтрационного расчета устоя представ­ ляется возможным исходить из условий так называемой плановой фильтрации, при наличии которой живые сечения являются цилин­ дрическими поверхностями с вертикальными образующими. В этом случае для расчета фильтрационного потока может быть использован упрощенный метод, изложенный ниже в пп. 3°, 4°, 5°.

В случае же ответственных сооружений при наличии: а) резко вы­ раженной пространственной фильтрации, б) относительно большого притока воды со стороны территории берега, в) значительной неодно­ родности грунта в районе подземного контура устоя фильтрационный расчет приходится выполнять, используя экспериментальный метод электрогидродинамических аналогий.

1°. Описание потока грунтовой воды, получающегося при фильтрации в обход устоя

В общем случае, когда фундамент устоя не сопрягается с водоупором, расположенным на значительной глубине, при фильтрации в об­ ход устоя получается пространственная картина движения грунтовых вод; при этом в районе устоя безнапорная фильтрация (в обход устоя) сочетается с напорной фильтрацией под плотиной.

На рис. 117, в штриховой линией показаны линии тока безнапор­ ной части потока; штрих-пунктирной линией — гидроизогипсы, пред­

195

ставляющие депрессионную поверхность фильтрационного потока. Входным живым сечением здесь является поверхность откоса и дно

1—2—3—4—5—6 на рис. 117, в) опоясывается кривой депрессии; часть

Рис. 118

этой кривой депрессии, относящаяся к продольной стенке устоя, пред­ ставлена на рис. 117, а в виде линии 3—4. Очевидно, этот участок кри­ вой депрессии и определяет величину давления грунтовой воды на

'1—2—3—4—5—6 (рис. 117, б) и затем развернуть его в одной пло­ скости, то в результате получим картину, представленную на рис. 118.

196

Как видно, эта картина сходна с картиной фильтрации воды через зем­ ляную плотину, расположенную на водопроницаемом основании. Имея это в виду, при расчете фильтрации в обход устоя можно воспользо­ ваться некоторыми приемами, применяемыми при фильтрационном расчете земляных плотин на водопроницаемом основании.

2°. Приближенный фильтрационный расчет земляной плотины, расположенной на водопроницаемом основании 1

Случай однородной земляной плотины. Для построения кривой депрессии и определения фильтрационного расхода q можно рекомен­

математического решения (см. график на рис. 120) таким образом, чтобы при заданном q потеря напора в прямоугольном массиве Г — 2'—3'—4' и потеря напора вдоль некоторой «средней» линии тока действительной области фильтрации А —2'—М —d—с—А были оди­ наковы.

Осуществив указанную замену, вместо грунтового массива NMdcAbe получаем грунтовый массив N—3'—4'—е, имеющий верти­ кальное входное живое сечение А '—3'. Расчет такого массива можно осуществить, пользуясь обычной формулой Дюпюи, по которой при заданном расходе q можно легко построить кривую депрессии А'аВ. Эта кривая депрессии только на небольшом участке А'а будет откло­ няться от искомой кривой депрессии АаВ. Имея это в виду, участок Аа искомой кривой депрессии проводим на чертеже с таким расчетом, чтобы он подходил нормально к откосу Ъс.

\ Более подробнее этот вопрос освещен в [51 ].

*

197

Анализируя график С. Н. Нумерова (рис. 120) и учитывая вопрос, освещенный ниже (где мы говорим об активной зоне фильтра­ ции в основании плотин), легко показать, что область графика, покры­ тая нами штриховкой, не представляет интереса (точки этой области соответствуют случаю, когда Т^>{Так) \ см. ниже). Что касается

незаштрихованной части графика на рис. 120, то кривые е = / (т в; T/hx), соответствующие этой части, хорошо описываются уравнением

Учитывая это обстоятельство и сообразуясь с приближенностью подобного рода расчетов, в дальнейшем принимаем

е = 0,4 = const, . (ЗЗЗ')

причем этот коэффициент условно распространяем также и на низовой откос плотины.1

При таких предположениях фильтрационный расчет плотины, изо­ браженной на рис. 121, сводится к следующему.

Обозначаем через А и В урезы воды соответственно в верхнем и нижнем бьефах.' Откладываем от точек А и В соответственно влево и вправо величины 0,4 hx и 0,4 h2, где hx и h2 — превышение горизон­ тов воды верхнего и нижнего бьефов над водоупором M N .

В результате получаем прямоугольный грунтовый массив 4'—4" —3"—3', расположенный на водоупореТИЛЛ Имея глубины воды в бьефах этого массива hx и /і2, находим по Дюпюи величину удельного фильтрационного расхода для рассматриваемой земляной плотины

1 По вопросу о коэффициенте г дополнительно см. статью Э. К. КеримЗаде «Об учете верхового клина земляной плотины при фильтрационном рас­ чете» («Известия ВНИИГ», т. 90, 1969).

198

где

здесь Lyp — расстояние по горизонтали между урезами А и В ; L0 — ширина прямоугольного грунтового массива, которым мы заменили плотину.

Далее, пользуясь тем же уравнением Дюпюи:

(336)

строим кривую депрессии А'В' для прямоугольного массива (размеры h и X показаны на рисунке).

Наконец, проводим визуально участки искомой кривой депрессии

к условному прямоугольному массиву следует выполнять, как пока­

199