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

Случай плотины с ядром. Здесь, как и в предыдущем случае, вер­ ховой и низовой клинья плотины (вместе с их основанием) заменяем соответствующими прямоугольными массивами (см. рис. 123, где эти массивы заштрихованы). В результате получаем один прямоуголь­ ный массив 4'—4"—3"—3' с ядром.

Этот прямоугольный массив далее рассчитываем, применяя извест­ ный виртуальный способ [52]. После этого визуально корректируем концы кривой депрессии, полученной для такого прямоугольного мас­ сива.1

Активная зона фильтрации в основании плотин. Пользуясь изло­ женным выше методом, можем строить кривые депрессии для земляных плотин по уравнению Дюпюи при условии, что водоупор находится

на к о н е ч н о й глубине. Однако водоупор часто может быть распо­ ложен практически на бесконечно большой глубине. Чтобы иметь воз­ можность построить кривую депрессии в этом последнем случае, сле­ дует воспользоваться понятием а к т и в н о й з о н ы ф и л ь т р а ­ ц и и в о с н о в а н и и п л о т и н ы .

На рис. 124 представлен-поперечный профиль земляной плотины с тройным верховым откосом и с вертикальным низовым откосом. Для этого профиля плотины на той же схеме построено по описанному выше методу пять кривых депрессии для пяти положений водоупора (водоупоры № 1, 2, 3, 4).21 Из рассмотрения этого чертежа видно, что глубина активной зоны фильтрации земляной плотины

где L' — ширина плотины по основанию (точнее, расстояние от по­ дошвы верхового откоса до дренажа низового клина плотины).

на рисунке не показан. Также не показана правая вертикальная расчетная грань прямоугольного грунтового массива, отвечающего этому водоупору.

200

\

Действительно, кривые депрессии земляной плотины при заглуб­

практически не зависят от величины Т и получаются такими же, как

ВодоупорÄ“jj

іт >т ш Ьт ш т т ?ш т »рт т »т ш ш т ш т т >)>т \Ш

I.

ВокупорНЧ

Рис. 124

Надо, впрочем, заметить, что при

величина Т относительно мало сказывается на положении кривой деп­ рессии. Поэтому в случае предварительных расчетов величину (Так)зп

в запас можно иногда принимать равной нулю, т. е. строить кривую депрессии для плотины на проницаемом основании в предположении, что основание ее является водонепроницаемым (другими словами, принимать, что линия тока, начинающаяся в точке D на рис. 124, является горизонтальной прямой).

>

3°. Схематизация потока грунтовой воды при построении опоясывающей устой кривой депрессии

С целью привести фильтрационный поток, описанный в п. 1°, к виду так называемого планового фильтрационного-потока, когда для рас­ чета можно применить известный метод решения плановых задач фильтрации, предложенный Ф. Форхгеймером, введем следующие упрощающие предположения.

201

1. Сообразуясь с данными п. 2°, будем считать, что расчетный водоупор совпадает с действительным водоупором, если

то будем считать, что расчетный водоупор располагается под дном нижнего бьефа на глубине

где /0 — длина проекции устоя на направление продольной его стенки.2

Рис. 125

2. Сообразуясь с данными п. 2°, будем заменять верховой и ни­ зовой откосы грунтового массива, к которому примыкает устой, в е р ­ т и к а л ь н ы м и откосами, доходящими до водоупора. Эти расчет­ ные вертикальные откосы будем намечать на расстоянии от уреза, равном (рис. 121):

где hx и /і2 — превышение горизонтов воды соответственно в верхнем

инижнем бьефах над расчетным водоупором.

Врезультате такого-упрощения можем в зависимости от конструк­ тивных форм устоя получать различные схемы фильтрационного по­ тока в плане; для примера на рис. 125 приводятся некоторые из таких схем.

202

3.Будем считать условно, что все стенки устоя заглублены до поверхности расчетного водоупора.

4.Грунт, заполняющий пазуху устоя, будем принимать одно­ родным изотропным.

5.Притоком грунтовой воды со стороны берега будем пренебрегать, рассматривая только фильтрацию воды из верхнего бьефа в нижний (как показано на рис. 117).

6.Наконец, будем пренебрегать промежутком высачивания на низовом вертикальном (расчетном) откосе, так как эта величина в дан­ ном случае всегда будет мала.

Принимая указанные допущения, будем получать расчетный филь­ трационный поток, характеризуемый примерно ц и л и н д р и ч е ­ с к и м и живыми сечениями с вертикальными образующими; направ­ ляющими таких живых сечений будут гидроизогипсы депрессионной поверхности.

4°. Построение опоясывающей устой кривой депрессии по методу Ф. Форхгеймера [см. 52, с. 497]

Согласно методу Ф. Форхгеймера для определения глубины 1 h в некоторой точке пг, намеченной в любом месте опоясывающей устой кривой депрессии (см. рис. 117), можно написать следующее уравне­ ние в форме, предложенной В. И. Аравиным:

скости сравнения ОО, расположенной на уровне горизонта воды ниж­ него бьефа. Такой воображаемый флютбет применительно к схемам устоя на рис. 117 и 125, а предст&влен на рис. 126; на этом чертеже показана соответственная точка пг, а также плоскость сравнёния 00. При указанной плоскости сравнения для точки пг схемы на рис. 126, характеризуемой напорной фильтрацией,

где Z — напор на воображаемом флютбете, принимаемый равным на­ пору Z на устое (разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов на рис. 117); hf — напор в рассматриваемой точке пг воображаемого флютбета, или, что то же самое, потеря напора от точки пг до нижнего бьефа (рис. 126); Sg — суммарный коэффициент сопротивления всего рассматриваемого контура (см. гл. 3); (2£)m_6 — коэффициент сопро­

тивления участка контура пг—4—5—6. Подставляя (347) в (346), получаем:

Измеряемой от кривой депрессии до расчетного водоупора.

203

где величина hf для данной точки т определяется из рассмотрения воображаемого флютбета при напоре Z, равном напору на устое.

Величину hf для любой точки т той или другой схемы устоя, пред­ ставленной на рис. 125, легко определить по методу ЭГДА или мето­ дом коэффициентов сопротивления (гл. 3). Зная hf для различных точек подземного контура устоя, по формуле ,j(350) можно найти глу­ бины /г в этих точках и по ним построить опоясывающую устой кри­ вую депрессии.

Рис. 126

Имея такую кривую депрессии, можно: а) вести статический рас­ чет стенок устоя' (определяя в соответствии с этой кривой депрессии величину гидромеханического давления на устой); б) выполнить рас­ чет казуальной фильтрационной прочности грунта, заполняющего пазуху устоя.

5°. Дополнительные замечания по вопросу о построении опоясывающей устой кривой депрессииI

I. Наиболее существенным допущением из числа указанных в п. 3° является допущение, согласно которому мы принимаем вместо вися­ чих фундаментных частей устоя (если таковые имеются) фундамент­ ные части, доходящие до расчетного водоупора (см. п. 3°, 3). Это до­ пущение не дает нам запаса в расчете. Имея это в виду, а также учиты­ вая влияние расчетного водоупора на положение кривой депрессии (рис. 124), в случае фундаментных частей устоя, не доходящих до во­ доупора, расчетный водоупор в з а п а с можно назначать на уровне дна нижнего бьефа, полагая Т — 0.

При таком подходе мы дополнительно получаем некоторое упро­ щение расчета.

2. При расчете устоя могут быть встречены случаи, когда к про­ дольной стенке устоя AB примыкает или ядро, выполненное из мало-

204

водопроницаемого глинистого грунта, или шпунтовый свайный ряд (рис. 127). В этом случае для расчета действительный устой следует заменять виртуальным устоем.

Переходя от действительного устоя к виртуальному, следует от­ брасывать ядро (или вертикальную шпунтовую диафрагму) и затем удлинять продольную стенку устоя до величины, равной:

по методу коэффициентов сопроти вления.

Поясним здесь, каким образом по методу коэффициентов сопротив­ ления решаются некоторые другие схемы, в частности изображенные на рис. 126, б—е.

Схема на рис. 125, б. При рассмотрении этой схемы сталкиваемся с необходимостью знать коэффициенты сопротивления £ для фрагмен­ тов I и II основания воображаемого флютбета, ограниченных со сто­ роны бьефов не горизонтальными линиями (как мы имели в гл. 3), а кривыми линиями А 1В 1 и Л 2В 2.

Поскольку для таких фрагментов мы не располагаем величиной коэффициента сопротивления £, то'в данном случае можно поступать следующим образом.

Намечаем вертикальное сечение I—II. В этом сечении получаем прямоугольный грунтовый массив. Строя по Дюпюи для такого мас­ сива кривую депрессии (в предположении, что у нас имеет место пло­ ская задача), можем легко найти: потерю напора Д/гх на длине 1—2 этого массива, потерю напора АІг2 на длине 3—4 данного массива.

205

Далее при расчете величины Іц рассматриваем воображаемый флют-

и определяем затем по методу коэффициентов сопротивления величину hf для различных точек его подземного контура. Очевидно, коэффи­ циент сопротивления для фрагментов Г и ІГ здесь будет равен 0,5 £ш, где £ш — коэффициент сопротивления для внутреннего шпунта, оп­ ределяемый по графику на рис. 30 (или по соответствующим форму­ лам).

Рис. 128

Схемы на рис. 125, в и д. Эти схемы могут быть рассчитаны по ме­ тоду коэффициентов сопротивления с помощью приема, поясненного в предыдущем пункте. Заметим, что в случае схемы на рис. 125, в можно поступить еще и следующим образом.

Намечаем условные входные живые сечения: горизонтальное и вертикальное (на рисунке показаны штриховой линией).

Для горизонтального входного живого сечения находим по формуле (81) величину £вх; для вертикального входного живого сечения ко­ эффициент сопротивления равен 1/2 £ш.

Искомое значение £ для действительного (наклонного) входного

определять величину £ для несколько наклонных (не горизонтальных) элементов контура; см., например, элемент контура 1—2.

Очевидно, при определении £ в таком случае следует'пользоваться формулой (90) для £г, подставляя в эту формулу вместо I проекцию

1 Как видно, основание этого флютбета ограничено вертикальными лини« ями 1—1 и 2—2.

20В

линии 1—2 на горизонталь, вместо же Т — некоторое среднее значе­ ние этой величины.1

Схема на рис. 125, е. В этом случае следует намечать (дополнитель­ ную) вертикаль 1—2—3. Для фрагмента основания, расположенного левее линии 1—2—3, коэффициент сопротивления следует принимать равным 1/2 £ч.ш, считая глубину погружения чистого шпунта равной длине отрезка 1—2.

Наклонный элемент 2—4 подземного контура следует рассчитывать, как указано в предыдущем пункте. ^

Схема на рис. 128, б. Такая схема устоя, обращенная в воображае­ мый флютбет, характеризуется подземным контуром BED', входным живым сечением здесь является вертикальное сечение AB, выход­ ным — вертикальное сечение DC, проведенное по оси дренажа устоя. Для такой схемы суммарный коэффициент сопротивления

где коэффициент сопротивления £ш можно найти по графику на рис. 30 или по формулам (70) или (72);

фильтрации (см. гл. 3).

Схема на рис. 128, в. Эта схема устоя, обращенная в воображаемый флютбет, характеризуется подземным контуром AEFC-, входное жи­ вое сечение показано линией AB; выходное — линией CD (проведен­ ной по дренажу устоя).

Для такой схемы

41. Расчет казуальной фильтрационной прочности засыпки устоя по методу контролирующего градиента

Расчет устоя на казуальную фильтрационную прочность его за­ сыпки в общем случае должен носить п р о в е р о ч н ы й характер. В связи с этим считаем, что для расчета устоя его подземный контур в первом приближении нам задан.

Рассматривая связь между пьезометрическими уклонами кривой депрессии, опоясывающей устой, и пьезометрической линии, построен­ ной для подземного контура соответствующего воображаемого флютбета, можно видеть, что средний пьезометрический уклон для указан­ ных двух линий о д и н а к о в . Имея это в виду, для расчета казуаль­ ной фильтрационной прочности грунта засыпки пазухи устоя можно предложить следующий прием: 1) предполагаем, что расчетный водо-

1 Величины s, входящие в указанную формулу, в данном случае равны нулю.

207

л

упор находится на уровне дна нижнего бьефа; 2) заменяем устой во­ ображаемым флютбетом, причем получаем одну из схем флютбета на рис. 125 или 128; 3) из рассмотрения соответствующего воображае­ мого флютбета, полагая для него напор равным напору на устое, оп­ ределяем, как указано в гл. 4, действующий, контролирующий гра­ диент / к для этого флютбета;1 4) наконец, сопоставляем найденное значение У„с д о п у с к а е м ы м его значением для устоев [(/к)д ] .

При этом, очевидно, следует требовать, чтобы удовлетворялось соотношение

Как видно, пользуясь для расчета этим соотношением, сталки­ ваемся с необходимостью знать численные значения [(/к)д 1уст. которые, вообще говоря, могут отличаться от величин ( /к) , приведен­

ных в гл. 4 для напорных сооружений (для Плотин). Такое отличие может быть обусловлено следующими обстоятельствами: средний пье­ зометрический уклон для устоя и для воображаемого флютбета оди­ наков; однако уклоны в выходной части потока в случае устоя не­ сколько больше, чем в случае флютбета; кроме того, стенка устоя мо­ жет оказаться прижатой к грунту не так сильно, как подошва пло­ тины. Все это, по-видимому, несколько ухудшает работу устоя по сравнению с флютбетом. Поэтому казалось бы, величины допускаемых уклонов для устоев должны быть меньшими, чем для плотин.

С тем чтобы установить численные значения [(</к)д1 нами была проведена обработка статистических данных по 97 устоям (см. [50]).

В этих таблицах представлены устои напорных гидросооружений, осуществленных и работающих в настоящее время благополучно, а также строящихся в настоящее время. Данных по устоям, построен­ ным и поврежденным фильтрацией, мы не обнаружили, и потому та­ кого рода данные в таблицах отсутствуют.

Величины JK, приведенные в таблицах, определялись по методу, изложенному в гл. 4 (с учетом указаний, приведенных в § 40, а также в начале настоящего параграфа).3

На основании данных указанных таблиц на рис. 129 построены два графика. На этих графиках, совершенно аналогичных графикам на

чины JK, относящиеся к осуществленным сооружениям. У некоторых точек, показанных на чертеже, стоят номера сооружений, указанные

1 Заметим, что иногда (в редких случаях) вместо воображаемого флютбета мы можем получить воображаемый чистый шпунт (к которому приводится за­ данный устой). В этом случае JK находится так же, как указано в гл. 4.

2 Случаев чистого шпунта оказалось только два.

3 При наличии металлической шпунтовой диафрагмы, примыкающей к устою, значение параметра ср для такой диафрагмы принималось при расчете равным 150 -и.

208

в соответствующих таблицах (приводимых в [50]). На графиках рис. 129 дополнительно нанесены линии M tNi, соответствующие до­

соответствует определенному устою), можно прийти к следующим выводам.

1. Разброс точек в случае устоев получается значительно большим, чем в случае плотин (см. рис. 102). Это обстоятельство, очевидно, должно объясняться тем, что в вопросе проектирования устоев, мы не имели каких-либо определенных методов расчета (как, например, метод В. Бляя в случае плотин).

Из рис. 129 . видно, что наряду с устоями, запроектированными на относительно большие контролирующие пьезометрические уклоны, имеются также устои, запроектированные на недопустимо малые кон­ тролирующие уклоны. Заметим, что такое положение особенно застав­ ляет стремиться дать для устоев некоторые относительно жесткие нормы для допускаемых величин JK, с тем чтобы упорядочить вопрос проектирования их.