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

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

РАСЧЕТ КАЗУАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

1°. Предварительные указания

В гл. 4 был подробно освещен вопрос о так называемой к а з у а л ь н о й фильтрационной прочности нескального основания бетонных плотин.

Поскольку бетонные плотины, возводимые на нескальном основании, часто в своем составе имеют земляные части (сопрягающие их с берегами), то естест­

венно возникает необходимость увязать расчеты казуальной фильтрационной прочности основания бетонных плотин с расчетами казуальной фильтрацион­ ной прочности земляных плотин, расположенных в общем случае на нескаль­ ном основании.

Обращаясь к вопросу о земляных плотинах,1 необходимо напомнить, что самым опасным (недопустимым) потоком в их теле (или основании) является поток воды, возникающий в Ходах сосредоточенной фильтрации. Главная за­ дача постройки земляной плотины должна состоять в том, чтобы не'допустить возникновения этих ходов.

Ясно, что в настоящее время наши усилия прежде всего должны быть на­ правлены на изжитие в области гидротехнического строительства элементов случайности, могущих повлечь за собой возникновение упомянутых ходов сосре­ доточенной фильтрации. Вместе с тем, пока эти элементы не изжиты, мы не мо­ жем не учитывать их в нашей практической деятельности, так же как мы, напри­ мер, не может отказаться в настоящее время от соответствующего коэффициента запаса в том или другом инженерном расчете.

1 Подробно по этому вопросу см. [51, с. 171]. Однако пользуясь этим ли­ тературным источником, следует учитывать, что величины (JK) , приводимые

в нем, являются несколько преуменьшенными. Ниже даются значения (JK)

большей величины, (утвержденные в СНиП [56]). Отметим, что в [51] освеща­ ются также инженерные способы фильтрационного расчета земляных плотин.

Анализируя возможность нарушения фильтрационной прочности земля­ ных плотин, можем прийти к следующему существенному выводу: минимальная длина путей фильтрации в земляном сооружении и его основании (см. рис. 130), противопоставляемая напору, действующему на сооружении, т. е. минимальная длина линий тока от верхнего до нижнего бьефа, должна устанавливаться из рассмотрения т о л ь к о к а з у а л ь н о й ф и л ь т р а ц и о н н о й п р о ч ­ н о с т и . Поскольку длина этих путей определяет основные размеры сооруже­ ния, то можно сказать, что на основании расчета казуальной фильтрационной прочности грунта устанавливаются главнейшие размеры напорного земляного сооружения.

2°. Общая идея построения расчета назуальной фильтрационной прочности земляных плотин

Этот расчет должен носить п о в е р о ч н ы й х а р а к т е р .

Так же как и в случае расчета казуальной фильтрационной прочности не­ скального основания бетонных плотин (см. гл. 4), при проектировании земляных плотин необходимо соблюдать условие

с к а е м о е значение контролирующего градиента.

Применяя метод расчета, основанный на использовании зависимости (358) (метод, названный нами методом контролирующего градиента), для упрощения расчета расчленяем область фильтрации, получающуюся в случае земляной плотины, на две независимые части: основание плотины и тело земляной пло­ тины. При этом как бы полагаем,, что по линии AB (рис. 130) установлена вооб­ ражаемая водонепроницаемая преграда, не имеющая толщины; в результате и получаем два независимых фильтрационных потока (в основании плотины и в ее теле).

Фильтрационную прочность основания, расположенного ниже линии ÄB, при такой постановке вопроса представляется возможным рассчитывать так же точно, как и фильтрационную прочность основания бетонной плотины (см. гл. 4). В этом случае при отсутствии в основании земляной плотины каких-либо противофильтрационных устройств линию AB рассматриваем как подошву пло­ ского флютбета; считаем, что глубина активной зоны фильтрации

где размер L показан на рис. '130.

Что касается расчета казуальной фильтрационной прочности самого тела плотины, расположенного как бы на водонепроницаемом основании, то здесь при использовании зависимости (358) необходимо учитывать следующие обстоя­ тельства.

1. Принимаемая расчетная зависимость для величины Jк должна быть возможно более простой. Структура этой зависимости не так существенна, по­ скольку в соответствии с этой же зависимостью мы будем вычислять (так же как и в случае основания плотин) величины JK для уже осуществленных плотин (исходя из которых следует назначать величины (7к)д). Необходимо учитывать,

что величины (7к)д должны существенно зависеть от того способа, пользуясь

которым мы будем устанавливать значения J K.

2. Величины (Ук) следует устанавливать на основании обработки (в соот­

ветствии с формулой, принятой для определения Ук) имеющихся статистических данных по уже построенным плотинам (см. гл. 4, где мы отыскивали эти вели­ чины для нескальных оснований бетонных плотин). Вместе с тем величины ( / к)

212

для тела земляных плотин должны быть соответствующим образом увязаны с величинами для основания плотин. Само собой разумеется, что численные зна­ чения указанных (,/к)д должны быть р а з л и ч н ы , так как способы исчисле­

ния 7К для основания и для тела плотины не могут быть одинаковы.

Имея в виду все сказанное выше, поясним далее рекомендуемые нами спо­ собы определения величин JK и (7к)д, входящих в расчетную формулу (358).

ного рисунка — прямая депрессия. Как видно, точку М устанавливаем в рас­ стоянии 0,4 hB от уреза воды верхнего бьефа (hB — глубина воды в верхнем бьефе). В остальном построение прямой депрессии ясно из рисунка (см. схемы а,, б, в). В качестве действующего контролирующего градиента / к принимаем ук­

где I — расстояние от точки А действительного уреза до точки Е начала дренажа; при этом, если формула (362), в свою очередь, дает нам величину J K, большую cos Ѳв (где Ѳв — угол наклона верхового откоса к горизонту), то величину' JK следует окончательно устанавливать по формуле:

Выполнив фильтрационный расчет плотины (см. [51)] и найдя в результате этого расчета величину перепада свободной поверхности фильтрационного по­ тока на ядре или на экране (см. 1' на рис. 132), значения (7к)я и (JK)s находим

213

214

Часто вода в нижнем бьефе отсутствует, причем точка а лежит близко к по­ верхности основания. В этом случае можно принимать в запас

Величину (JK)r, которая в связи с устройством ядра или экрана резко

уменьшается, следует устанавливать как в п. 1, проводя на рис. 132 прямую депрессии M N через точку а и выбирая точку N так, как указано на рис. 131 (в зависимости от типа имеющегося дренажа).

б)

Рис. 132

4°. Определение величин / к для основания плотины

Однородное основание; плотина без зуба. Используя способ удлиненной контурной линии (см. § 25), величину J K находим по формуле:

где L — ширина плотины по низу (в случае плотины с наслонным дренажом) или длина отрезка BE, показанного на рис. 131, а, б\ Т — заглубление расчет­ ного водоупора, принимаем так, как указано в § 19, где говорилось об активной зоне фильтрации; см. также формулу (359).

215

Однородное основание; плотина с висячим зубом. В этом случае также ис­

пользуем способ удлиненной контурной линии (см. рис. 133 а, на котором длина отрезка LB должна быть равна 2s).

Используя этот способ, легко определить напоры на левой и правой верти­ кальных гранях зуба. После этого можно установить также величины JK и для самого зуба (имея в виду поперечную горизонтальную фильтрацию воды через него).

WTfr77777777777777Tm7777777777777m77777777777m777777777T777777777777T7777т/Jj

1^7777777777Ш77777777777777777777777/Ш7777777777777777777777777)Щ7777Ш/

Рис. 133

Однородное основание плотины: плотина с ядром и маловодопроницаемым зубом, доходящим до водоупора. Используя известный виртуальный способ (см. например, [51]), грунт зуба можно привести к грунту основания. После этого расчет выполняем, как указано в предыдущем пункте — см. рис. 133, б. -На этом рисунке Ьвир — виртуальная толщина зуба:

здесь 8 — толщина зуба; k0 и k3 — коэффициент фильтрации [соответственно основания и зуба.

216

5°. Установление численных значений допустимых контролирующих градиентов напора

Общие замечания. В свое время В. Кригер и Д. Джестин [14], а также другие авторы давали рекомендации в отношении величин уклона так называе­ мых прямых депрессий в теле проектируемых земляных плотин. При проекти­ ровании предлагалось принимать эти уклоны J <0,1 ч- 0,35.

ности грунта, названной нами казуальной, причем не было ясно, следует ли упо­ мянутые прямые депрессии рассматривать как д е й с т в и т е л ь н ы е депрессионные линии (т. е. такие, которые должны получиться в теле плотины задан­

способ прямой депрессии является вполне логичным, причем он не может 'выз­ вать каких-либо возражений; во-вторых, приведенные выше численные значе­ ния уклонов прямых депрессии (J = 0,10 ч- 0,35) можно рассматривать как допустимые контролирующие градиенты (Ук)д, величина которых отвечает

уровню строительства плотин, относящемуся к началу настоящего столетия. Ясно, что в настоящее время величины ( / к)д должны быть значительно

повышены. Кроме того, величина (Уц) для тела плотины должна быть выбрана

в соответствии с предлагаемыми способами определения действующих величин JK (см. выше пп. 3° и 4°), а также должна быть увязана с величинами (JK) , при­ нимаемыми для основания плотин.

Соображения, которые надо учесть при выборе величин (7к)д.

А. В отличие от тела плотины и его основания противофильтрационные части земляных плотин (например, ядра или экрана), образованные относительно небольшим объемом весьма тщательно уплотненного грунта, до последнего вре­ мени проектировались согласно зависимости:

Б. Вообще говоря, можно различать три основные цели устройства ядра (или экрана) земляной плотины; снижение фильтрационного расхода; повышение общей устойчивости низового откоса; повышение казуальной фильтрационной прочности тела плотины. Главной (часто единственной) целью является последняя.

Устраивая, например, ядро земляной плотины, мы при этом резко снижаем градиенты напора в теле плотины. Однако при этом градиенты, действующие в самом ядре, оказываются весьма большими. Отсюда ясно, что устройство ядра или экрана в случае земляной плотины имеет смысл только при условии

Если'бы указанные градиенты были равными, то при помощи ядра или эк­ рана нельзя было бы повышать казуальную прочность плотины, причем устрой­ ство ядра и экрана (в случае земляной плотины) оказалось бы в большинстве случаев лишенным смысла.

217

Из сказанного следует: коль скоро устройство ядер и экранов оправдано вековым опытом строительства плотин, то, учитывая (370), можно утверждать, что величины (Jк)д для б о л ь ш и х масс грунта, отсыпанного в тело плотины,

всегда должны приниматься з н а ч и т е л ь н о м е н ь ш и м и , чем величины (7к)д, которые устанавливаются для о т н о с и т е л ь н о н е б о л ь ш и х

о б ъ е м о в глинистого грунта, укладываемого в тело ядра или экрана, где ведется специальное уплотнение и специальный контроль этого уплотнения.

В. Рассматривая противофильтрационные (глинистые) части* плотины (ядро, экран, понур), можно отметить, что величина (7к)д для этих частей

должна зависеть от объема этих элементов и качества производства работ, а также от условий работы их в период эксплуатации сооружения.

Сравнивая между собой ядра, экран и понур, можно видеть, что эти устрой­ ства отличаются друг о.т друга только условиями работы, причем особенно вы­ годные условия работы имёем для понура; в связи с деформациями тела плотины в период ее эксплуатации условия работы ядер и экранов оказываются более тяжелыми, чем условия работы понурое. Практически величины (7К)Д для ядер,

экранов и понуров (в случае земляных плотин), по-видимому, следует считать о д и н а к о в ы м и :

является только «вспомогательным элементом», несколько улучшающим работу

Учитывая все сказанное выше, для нескального основания земляных (или ка­ менно-земляных) плотин следует принимать величины (7к)д такие же, как и

для нескального основания бетонных плотин и для засыпки пазух устоев (см. официальную табл. 4 в § 35). Вместе с тем Госстрой СССР в СНиП [56], относя­ щихся к земляным плотинам, утвердил допускаемые градиенты для нескального основания земляных плотин примерно на 15—30% большие, чем те допускаемые градиенты, которые были уже утверждены для нескального основания в СНиП [55], относящихся к бетонным плотинам. Такого рода неувязка в официальных данных усугубляется еще тем, что в СНиП [56] градиенты, относящиеся к осно­ ванию плотин, оказались не увязанными с градиентами, относящимися к телу плотины (см. ниже табл. 6). Впрочем, такое положение можно рассматривать и как несущественное, поскольку в СНиП [56], относящихся к земляным пло­ тинам, не указано, как именно следует определять контролирующие (средние) градиенты напора для основания плотин (применительно к которым даются до­ пускаемые градиенты); собственно, таблица в СНиП [56] практически не может быть использована. Имея это в виду, для определения значений (Jк)д, относя­

щихся к нескальным основаниям земляных плотин, приходится рекомендовать официальную табл. 4 (см. § 35).

Численные значения [,/к] Для противофильтрационных частей земляных плотин. Для ядра или экрана, выполненного из глинистых грунтов, величину

218

Численные значения для грунтовых [глинистых] противофильтрационных частей каменнонабросных [«каменноземляных»] плотин. Имея в виду сказанное выше, в п. Г, и учитывая данные, приводимые в литературе [1; с. 92—93], можно принимать:

земляных плотин. С тем чтобы оценить эти величины нами были подсчитаны величины J K для тела 161 плотины, не имеющей каких-либо противофильтра­ ционных преград в виде, например, ядра или экрана (см. альбом таких плотин в [32]). При выполнении этих вычислений тело плотины отделялось от ее основания и рассматривалось независимо от основания. Полученные численные значе­ ния J K были обработаны в соответствии с системой, поясненной в § 35, п. 3°.

Рис. 134

Результаты этой обработки представлены в виде графика на рис. 134, где номера точек соответствуют номерам плотин, указанным в упомянутом альбоме.

На рисунке намечено семь горизонтальных осей (для разных грунтов'тела плотины) и вдоль каждой оси отложены величины / к, вычисленные для соот­ ветствующих плотин.

219