Исследование влияния формы створа на работу периметрального шва каменной плотины с железобетонным экраном

УЕБТЫНС

мвви

УДК 627.8

М.П. Саинов

ФГБОУВПО «МГСУ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ СТВОРА НА РАБОТУ ПЕРИМЕТРАЛЬНОГО ШВА КАМЕННОЙ ПЛОТИНЫ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ

Приведен анализ влияния формы створа на величины перемещений в периметральном шве каменной плотины с железобетонным экраном высотой 100 м. Рассмотрено 6 вариантов створов с разными шириной русловой части створа и наклоном бортов. Перемещения в периметральном шве были получены с помощью вычислительной программы, которая позволяет моделировать работу швов с помощью контактных конечных элементов.

Установлено, что в периметральном шве перемещения происходят в трех направлениях: раскрытия, контурные прогибы и продольные смещения экрана. Во всех вариантах произошло раскрытие периметрального шва.

Исследования показали, что наибольшее влияние на величину перемещений в периметральном шве оказывает ширина русловой части плотины.

Ключевые слова: каменная плотина, железобетонный экран, периметральный шов, напряженно-деформированное состояние, грунтовая плотина, раскрытие шва, метод конечных элементов.

Каменные плотины с железобетонными экранами в настоящее время являются наиболее экономичным типом грунтовых плотин. Накопленный опыт строительства и эксплуатации таких плотин позволяет расширять область их применения, их высота достигла 233 м (плотина Shuibuya в Китае) [1]. Эти плотины стали строить не только в благоприятных климатических условиях, но и в умеренном климате. Самой северной плотиной с железобетонным экраном является плотина Тои1пшШ^ (высотой 77 м) в Канаде [2]. Широта створа составляет лишь 50° (что примерно соответствует широте Киева), но в данном районе может быть и холодная зима и жаркое лето. Опыт строительства и эксплуатации двух канадских плотин с железобетонным экраном (Outardes-2 и Тои1пшШ^) делает возможным строительство подобных плотин и в России.

Однако эти плотины не являются полностью надежными — на некоторых из них наблюдаются значительные потери воды на фильтрацию. Например, на плотине Turimiquire высотой 113 м (Венесуэла) потери воды из водохранилища достигали около 10 м3/с. На многих других плотинах фильтрационный расход превышал 0,5...1 м3/с [1]. Причин возникновения больших протечек обычно две: образование трещин в самом железобетонном экране и нарушение целостности швов в нем.

Самым слабым местом конструкции является периметральный (контурный) шов, отделяющий железобетонный экран плотины от основания, так как довольно часто наблюдается нарушение его водонепроницаемости [1]. Однако уже давно известно, что без периметрального шва обойтись нельзя [3].

Рис. 1. Компоненты перемещений в периметральном шве: пунктиром показано первоначальное положение плиты экрана; 1 — вершина ребер экрана до перемещений; 2 — то же, после перемещений; К — раскрытие шва; N — нормальное перемещение

Натурные исследования показывают, что периметральный шов испытывает три вида относительных смещений: раскрытие, нормальное и продольное смещения (рис. 1).

Раскрытие шва — это относительное перемещение его «берегов» в направлении, перпендикулярном плоскости шва, при котором происходит увеличение толщины шва. По натурным данным на разных плотинах наблюдались как небольшие раскрытия шва (миллиметры), так и очень значительные (более дециметра). Например, на плотине Alto Anchicaya (Колумбия) высотой 140 м раскрытие составило 125 мм [4, 5]. Для сохранения водонепроницаемости шва при его раскрытии выполняются уплотнения, в т.ч. в виде шпонок [4, 5].

Нормальное смещение — это смещение экрана вдоль поверхности шва, причем в направлении, перпендикулярном к поверхности экрана. Эти смещения также могут быть очень значительными. Например, на плотине Reece высотой 122 м (Австралия) они составили 70 мм, а на плотине Alto Anchicaya — 106 мм [4].

Продольные смещения также происходят вдоль поверхности шва, но в плоскости экрана. Их величина заметно меньше. Максимальное смещение величиной 25 мм наблюдалось на плотине Foz do Areia высотой 160 м в Бразилии.

Смещение экрана одновременно в трех разных направлениях создает крайне неблагоприятные условия работы его уплотнений. В предыдущих наших исследованиях [6, 7] была показана огромная роль периметрального шва при формировании напряженно-деформированного состояния экрана. Численное моделирование показало, что за счет смещений каменной насыпи под действием гидростатического давления экран стремится сдвинуться относительно скальных бортов [6] и испытывает деформации удлинения [7]. Если бы периметральный шов не выполнялся, то в зоне сопряжения со скальным основанием экран бы испытывал, во-первых, значительные растягивающие усилия по всей толщине экрана, а во-вторых, значительные растягивающие напряжения на верховой грани за счет изгибных деформаций. Все это неминуемо привело бы к образованию в экране трещин на контакте с основанием, как это наблюдалось на первых плотинах с железобетонным экраном, построенных в начале XX в. [3].

Устройство периметрального шва позволяет экрану деформироваться свободно. Как показывают натурные наблюдения [4, 5], на многих плотинах экран находится в состоянии двухосного сжатия. По нашему мнению, раскрытие пе-

риметрального шва говорит об обратном: в одном из направлений он может испытывать растяжение. Это растяжение и снимается периметральным швом, но не всегда полностью.

При проектировании и мониторинге плотин с железобетонными экранами всегда выполняются исследования их напряженно-деформированного состояния [8—13]. При этом используются различные модели грунтов и вычислительные программы. К сожалению, чаще всего в них уделяется мало внимания работе швов в экране, а их наличие не учитывается. Но есть примеры, когда при расчетах производится моделирование работы швов [8—13]. Тем не менее, этот вопрос не является достаточно изученным.

В данной статье описываются результаты численных исследований работы периметрального шва железобетонного экрана плотины высотой 100 м в различных по форме створах. Рассматривалась плотина из горной массы на скальном основании. Заложения верхового и низового откосов принимались равными 1,4 (рис. 2). Толщина железобетонного экрана изменялась от 0,5 м на гребне до 1 м у основания. Экран разрезался вертикальными швами на секции шириной 12 м.

Рис. 2. Сетка МКЭ руслового сечения плотины с железобетонным экраном: 1 — каменная насыпь тела плотины; 2 — железобетонный экран; 3 — подэкрановая зона; 4 — парапет на гребне плотины

Принималось, что плотина возводится в две очереди. Первая очередь имеет высоту 62,5 м.

Исследования проводились методом конечных элементов с помощью вычислительной программы NDS-N, составленной автором. Для описания нелинейности деформирования грунтов в ней используется модель грунта, предложенная профессором Л.Н. Рассказовым [14, 15]. Следует отметить, что характеристики деформирования горной массы тела плотины принимались для невысокой степени уплотнения.

При конечно-элементной дискретизации элементов конструкции плотины и скальных бортов использовались шестигранные пространственные элементы с возможностью их вырождения вплоть до четырехгранных элементов. Для моделирования железобетонного экрана и подэкрановой зоны использовались элементы с квадратичной аппроксимацией перемещений внутри элемента.

Для описания нелинейного характера взаимодействия негрунтовых конструкций между собой (в швах) и с грунтовым массивом (со скальными бортами и каменной насыпью) используются контактные конечные элементы типа поверхность — поверхность. Контактные элементы вводились на контакте тела плотины со скальным основанием, с железобетонным экраном, а также для моделирования швов между секциями экрана. С помощью контактных элементов возможен учет таких эффектов, как раскрытие контакта («отлипание») и проскальзывание [6]. При этом для описания поведения прочности на сдвиг используется модель Кулона.

Исследовалось влияние на работу периметрального шва двух параметров створа: его ширины по руслу и угла наклона скальных бортов. Створ принимался симметричным. Всего рассматривались шесть вариантов створа плотины (табл. 1, рис. 3).

Табл. 1. Параметры вариантов формы створа

Вариант 1 2 3 4 5 6

Заложение откоса скального борта 1 1 1,5 1,5 2 2

Ширина русла, м 208 16 210 18 212 20

Ширина створа, м 600 408 504 312 408 216

600 408

Рис. 3. Расчетные варианты створов бортов

В вариантах 2, 4, 6 створ близок по форме к треугольному, это варианты с узким створом. Створы в вариантах 1, 3, 5 будем называть широкими.

На рис. 4 представлены перемещения экрана в русловом сечении (максимальной высоты), полученные расчетом. Эпюры перемещений построены с учетом поэтапности возведения плотины, поэтому экран плотины первой очереди имеет большие перемещения, чем экран плотины второй очереди, а на границе двух очередей наблюдается скачок в эпюрах перемещений.

Рис. 4. Перемещения, см, экрана в русловом поперечном сечении: а — смещения Ц.; б — осадки Ц; в — прогибы ип; г — касательные смещения; красным обозначены эпюры перемещения для узких створов; зеленым — для широких

ВЕСТНИК 9/2013

9/2013

На рисунках заметно, что на величине перемещений больше сказывается минимальная ширина створа (ширина русла), чем уклон скальных бортов. При узком створе на плотину действует меньшее гидростатическое давление, ярче выражается пространственный характер работы плотины, поэтому горизонтальные смещения и осадки экрана резко уменьшаются. Для плотин в широких створах перемещения экрана приблизительно одинаковы. Например, если в широких створах максимальное горизонтальное смещение экрана достигает 10 см, то в узком створе может не превысить 6,8 см (см. рис. 4, а). Русловое сечение плотины работает примерно одинаково в трех широких створах и находится в условиях, близких к условиям плоской деформации.

Тот же эффект наблюдается и при рассмотрении осадок экрана. Для трех широких створов диапазон изменения осадок очень невелик (см. рис. 4, б). Максимум осадок наблюдается на гребне плотины первой очереди1. Нижний край экрана испытывает небольшой подъем, а не осадки. Это связано с особенностью принятой в расчете конструкции. Обычно [4, 5] экран приподнимают над подошвой плотины примерно на толщину экрана, в принятой же конструкции экран опирается на жесткое основание. Поэтому при прогибе экрана происходит его поворот вокруг нижнего ребра. Соответственно верхнее ребро поднимается.

На эпюрах осадок можно отметить, что уменьшение ширины створа понизу приводит к заметному уменьшению осадок в нижней части экрана, что объясняется зависанием грунта плотины на скальных бортах. Максимальные осадки экрана плотины в широких створах достигают 10,8 см, в узких — лишь 8,8 см. В узких створах подъем нижнего края экрана проявляется заметнее (см. рис. 4, б).

На рис. 4, в, г показаны перемещения экрана в направлениях, перпендикулярном (см. рис. 4, в) и продольном (см. рис. 4, г) по отношению к плоскости экрана. Нормальные перемещения — это прогибы экрана, их максимальное значение — 14,6 см, что составляет примерно 1,5 % от высоты плотины. Это довольно значительный прогиб, что говорит о том, что принятые в расчете дефор-мативные характеристики грунтов — ослабленные. Хорошо заметно, что в узком створе прогибы нижней части экрана на 10.. .15 % меньше, чем в широком.

Продольные перемещения экрана являются результатом проекций смещений и осадок на линию верхового откоса. Так как горизонтальные смещения превалируют над осадками экрана, то продольные перемещения направлены от подошвы плотины к гребню (рис. 4, г)2. Они невелики — до 2 мм, но именно они формируют растягивающие усилия в экране. В узком створе эти перемещения заметно меньше по величине, чем в широком. Однако в обоих случаях продольные перемещения низа экрана больше, чем на V 30 м (где наблюдается минимум), что говорит о том, что нижняя часть экрана испытывает сжимающие усилия, в то время как верхняя — небольшие растягивающие.

1 Полученное расчетом резкое увеличение осадок экрана на гребне плотины первой очереди связано с дополнительными осадками верха плотины первой очереди под действием веса плотины второй очереди.

2 Положительный знак продольных перемещений принят для направления от подошвы плотины к гребню.

На рис. 5—7 показаны перемещения экрана по контуру верхового ребра периметрального шва.

Прежде всего бросается в глаза то, что горизонтальные перемещения иг экрана направлены от скального борта к руслу (рис. 5), т.е. к зоне максимальных прогибов. Они не превышают 1,5 см. Сравнивая эпюры перемещений в широких и узких створах, видим, что в верхней половине плотины они практически одинаковы, а в нижней части характерно резкое уменьшение величин перемещений при узких створах. Увеличение угла наклона скального борта ведет к увеличению перемещений и Максимум перемещений и в широких створах приходится примерно на 1/3 от высоты плотины, а в узких створах — на гребень плотины первой очереди.

Рис. 5. Горизонтальные перемещения, см, контура экрана: а — варианты 1, 2; б — варианты 3, 4; в — варианты 5, 6; красным обозначены эпюры перемещения для узких створов; зеленым — для широких створов

Распределение вертикальных перемещений и имеет более сложный характер (рис. 6). Видим, что во всех вариантах контур экрана в русловой части испы-

тывает некоторый подъем. В широких створах независимо от наклона скальных бортов этот подъем составляет 2.. .3 мм. В узком створе этот подъем увеличивается до 1 см (рис. 6). На наклонном участке (в зоне контакта со скальным бортом) экран испытывает заметные осадки: он стремится «сползти» по скальному борту. Снизу экран ограничен скальным основанием, поэтому осадки экрана становятся возможными только благодаря перемещениям и Результирующее перемещение контура экрана направлено примерно вдоль скального борта. Именно поэтому чем круче скальный борт, тем больше осадки экрана. Например, в варианте 1 максимум осадок составляет 0,53 см (рис. 6, а), а в варианте 3—1,5 см (рис. 6, в). Ширина створа также значительно сказывается на величинах осадок — в узких створах осадки экрана заметно меньше, так как «сползание» экрана ограничено.

Следует отметить, что осадки экрана на контакте с бортами больше, чем осадки рядом лежащего грунта.

Рис. 6. Вертикальные перемещения, см, верхового ребра контура экрана. Обозначения см. на рис. 5

На рис. 7 показаны горизонтальные перемещения контура экрана в направлении из верхнего бьефа в нижний — смещения и Во всех сечениях контур экрана смещается в сторону нижнего бьефа, проскальзывая относительно скальных бортов. Смещения и больше по величине, чем другие компоненты перемещений (и,, и) и могут превышать 2 см. В широких створах эпюры смещений имеют обычно два максимума: один в русловом сечении максимальной высоты, а другой на скальном борту. В узких створах максимум только один — в районе скального борта.

нижний бьеф

204 96

a

Рис. 7. Горизонтальные смещения, см, контура экрана в направлении вдоль русла. Обозначения см. на рис. 5

Зная три компоненты перемещений контура экрана и, и и, можно спроецировать их на линию контурного шва и вычислить раскрытие, нормальное и продольное перемещения в шве. Это позволяет лучше понять работу его уплотнений.

В данном расчете получено, что в каждом из вариантов периметральный шов раскрывается практически на всем своем протяжении (рис. 8). В широких створах максимум раскрытие наблюдается в русловом сечении плотины. Оно не превышает 19 мм и мало зависит от угла наклона бортов. В узких створах максимальное раскрытие наблюдается на бортах на высоте примерно 40 % от высоты плотины. Максимальная величина раскрытия из вариантов с узкими створами наблюдается в варианте 2. Она составляет 12,5 мм. С уменьшением наклона скальных бортов раскрытие уменьшается, так как уменьшается ширина створа поверху.

Рис. 8. Раскрытие, мм, периметрального шва: а — варианты 1, 2; б — варианты 3, 4; в — варианты 5, 6; красным обозначены эпюры перемещения для узких створов; зеленым — для широких створов

Раскрытие периметрального шва позволяет контуру экрана свободно перемещаться и в других направлениях в плоскости шва.

Нормальные перемещения в периметральном шве можно расценивать как прогибы экрана по контуру шва. Они довольно велики и сопоставимы по величине с раскрытиями (рис. 9). Максимум контурных прогибов наблюдается не в русловом сечении, а на скальном борту3. Он наблюдается примерно на той же высоте, что и максимум прогибов экрана (см. рис. 4, в). На величине нормальных перемещений сильно сказывается как ширина створа, так и угол наклона скальных бортов. Они тем больше, чем шире створ и чем круче скальные борта. Максимальный прогиб (22,3 мм) наблюдается в варианте 5 с самым крутым бортом и широкой русловой частью. В этом варианте величина прогиба оказывается больше, чем величина раскрытия шва.

Для распределения нормальных перемещений (прогибов) характерно также то, что в углу контура, т.е. там, где русловой участок сопрягается с бортовым, величины прогибов заметно уменьшаются. Это говорит о том, что плита экрана в этой зоне будет испытывать очень сложный пространственный изгиб, так как все ее четыре угла будут иметь разные прогибы.

Рис. 9. Контурные прогибы, мм, железобетонного экрана в периметральном шве. Обозначения см. на рис. 8

' Возможно, это вызвано опиранием экрана непосредственно на скальное основание.

Эпюры продольных перемещений в периметральном шве показаны на рис. 10. Они имеют сложный характер распределения. Проследим его на примере вариантов 1, 3, 5, т.е. для плотины в широком створе. В эпюрах можно выделить три характерных участка: русловой, нижний бортовой и верхний бортовой. На русловом участке продольные перемещения направлены от бортов к центру створа. В угловой точке они достигают своего максимума — около 6 мм. На верхнем бортовом участке экран, следуя осадкам плотины, движется вниз по бортовому склону. При этом перемещение происходит в направлении из нижнего бьефа в верхний. На нижнем бортовом участке горизонтальные смещения экрана превалируют над его осадками, поэтому экран двигается вдоль шва в направлении из верхнего бьефа в нижний. По отношению к направлению периметрального шва происходит как бы подъем плит экрана вдоль по откосу. На высоте примерно 40 % от всей высоты плотины продольные перемещения примерно равны 0.

Л*

хХ

шкала /-о ^ -О Л и

10 мм -5.1 204 96

-0.2

102

Т93.6

\ X шкала,

1 ММ - X ; • / ю

0.

4.0 108 г-^Г^4 96

Рис. 10. Продольные перемещения, мм, железобетонного экрана в периметральном шве. Обозначения см. на рис. 8

В табл. 2 приведены максимальные значения трех компонент перемещений в периметральном шве, а на рис. 11 — их распределение вдоль длины шва4.

Табл. 2. Величины максимальных перемещений, мм, в периметральном шве

Вариант 1 2 3 4 5 6

Раскрытие 18,7 12,5 19,0 11,0 17,6 9,4

Контурный прогиб 13,4 8,8 15,8 8,8 22,3 9,4

Продольные смещения 5,8 5,5 6,5 6,2 8,2 3,4

Суммарное смещение 21,7 14,7 23,3 13,5 26,5 9,0

-1.0 -0.8 Л.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0,6 0,8 1.0

а

-1.0 -0.8 -0.0 -0.4 -0.Z 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 1.0

б

т -1— —1

г

—s —в

5

X м

\

vV.

8 -( е -а л 2 0 0 2 \ V* 0 6 0 а 1

it

л —

в

Рис. 11. Сравнение перемещений в периметральном шве для различных вариантов створа: а — раскрытия; б — контурные прогибы; в — перемещения вдоль контура шва

4 Длина шва указана на рисунке в нормированном виде. Координате х = -1 соответствует ось симметрии плотины, х = 0 — сопряжение руслового и бортового участков, х = 1 — гребень плотины.

Выводы. 1. Как показывают натурные наблюдения и численные исследования, в периметральном шве плотины с железобетонным экраном наблюдаются перемещения в трех направлениях: раскрытия, прогибы и перемещения вдоль шва. Наиболее значительны по величине раскрытия, а также прогибы.

2. В створах, в которых русловая часть в 2 раза больше высоты плотины, русловое сечение работает в условиях, близких к плоской деформации. На величины осадок и смещений железобетонного экрана ширина русловой части оказывает большее влияние, чем наклон скальных бортов.

3. Раскрытие периметрального шва в основном вызывается горизонтальными смещениями каменной насыпи, а не осадками. Поэтому в узком створе раскрытия заметно меньше, чем в широком, особенно в нижней части экрана. На величину раскрытия сильнее влияет ширина створа плотины, а не наклон скальных бортов. Своего максимума раскрытие может достигать не в русловом сечении, а в бортовых сечениях.

4. Чаще всего периметральный шов раскрывается. В узких створах осадки экрана могут превалировать над смещениями, и тогда периметральный шов может не раскрываться, как это происходит на ряде плотин. При раскрытии шва исчезают силы трения в шве, поэтому железобетонный экран получает свободу перемещений и в других направлениях.

5. Максимум контурных прогибов экрана по результатам расчетов наблюдается не в русловом сечении, а на тех отметках, на которых наблюдается прогиб экрана максимальной величины. Несмотря на то, что повышенные контурные прогибы экрана смогут спровоцировать нарушение целостности уплотнений периметрального шва, не следует их ограничивать, так как их появление сглаживает изгибные деформации плит экрана, а следовательно, улучшает их напряженное состояние.

6. Наибольшие по величине контурные прогибы экрана характерны для створов с широкой русловой частью и крутыми бортами. В этом случае величины контурных (краевых) прогибов экрана могут превышать величины раскрытия периметрального шва.

7. Продольные перемещения могут быть направлены в разных сечениях плотины в разные стороны. Их направление зависит от соотношения смещений и осадок контура экрана. На русловом участке и вблизи гребня продольные перемещения направлены от бортов к оси русла, экран стремится сползти по склону. На нижних отметках скальных бортов в пологих створах могут происходить смещения в направлении вверх по бортовому склону.

8. Для плотины высотой 100 м можно ожидать суммарных перемещений в периметральном шве до 20...30 мм. Чем уже створ, тем меньше суммарные перемещения в периметральном шве.

Библиографический список

1. Stapledon D., MacGregor P., Bell G., Fell R. Geotechnical Engineering of Dams. Taylor & Francis, 2005.

2. Chartrand C., Claisse M., Beausejour N., Briand M.-H., Bouzaiene H., Boisjoly C., Gonzaga G., Quenneville R., Bergeron A. Toulnustouc Dam. Canadian Consulting Engineer. Oct/Nov 2006. Vol. 47 Issue 6. P. 51.

3. Проектирование и строительство плотин из местных материалов (по материалам VII и VIII Международных конгрессов по большим плотинам) / сост. А.А. Ничипорович, под общ. ред. А.А. Борового. М. : Энергия, 1967. С. 90—99.

4. ICOLD. Concrete Face Rockfill dam: Concepts for design and construction // International Commision on Large Dams: 2010. Bulletin 141.

5. ICOLD. Rockfill dams with Concrete Facing-State of the Art // International Commision on Large Dams: 1989. Bulletin 70.

6. Саинов М.П. Особенности расчетов напряженно-деформированного состояния каменных плотин с железобетонными экранами // Вестник МГСУ 2006. № 2. С. 78—86.

7. Выборнов К.А., Саинов М.П. Влияние работы швов на пространственное напряженно-деформированное состояние каменной плотины с железобетонным экраном // Вестник МГСУ 2011. Вып. № 5. С. 12—17.

8. Yu He, Li Shouju, Liu Yingxi, Zhang Jun. Non-Linear Analysis of Stress and Strain of Concrete Faced Rockfill Dam for Sequential Impoundment Process // Mathematical and Computational Applications. 2010. Vol. 15, №. 5, pp. 796—801.

9. ParkHan-Gyu, Seo Min-Woo, Kim Yong-Seong, Lim Heui-Dae. Settlement Behavior Characteristics of CFRD in Construction Period — Case of Daegok Dam // Jour. of the KGS. 2005. Vol. 21, №. 7. September, pp. 91—105.

10. Anna Szostak-Chrzanowski, Michel Massiera, Nianwu Deng. Concrete Face Rockfill Dams — New Chalenges for Monitoring and Analysis // Reports on Geodesy. 2009. Z. 2/87, pp. 381—390.

11. Гу Гань-Чэнь. Трехмерный нелинейный статический и динамический анализ каменно-набросных плотин с железобетонными экранами методом конечных элементов. Нанкин : Хохай ун-т, 1990.

12. Riza Savas Ozkuzukiran. Settlement Behavior of Concrete Face Rockfill Dams: A case Study // A thesis Submitted for the degree of master of science in Civil Enginieering / Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University. 2005.

13. Современное научное обоснование строительства каменно-набросных плотин с железобетонными экранами / В.Г. Радченко, В.Б. Глаговский, Н.А. Кассирова, Е.В. Курнева, М.А. Дружинин // Гидротехническое строительство. 2004. № 3. С. 2—8.

14. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. М. : Изд-во АСВ, 2001. 384 с.

15. Рассказов Л.Н., Джха Дж. Деформируемость и прочность грунта при расчете высоких грунтовых плотин // Гидротехническое строительство. 1997. № 7. С. 31—36.

Поступила в редакцию в августе 2013 г.

Об авторе: Саинов Михаил Петрович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(495)287-49-14, mp_sainov@mail.ru.

Для цитирования: Саинов М.П. Исследование влияния формы створа на работу периметрального шва каменной плотины с железобетонным экраном // Вестник МГСУ. 2013. № 9. С. 101—117.

M.P. Sainov

STUDY OF THE DAM SITE SHAPE EFFECT ON THE BEHAVIOUR OF THE PERIMETER JOINT OF A ROCKFILL DAM HAVING A REINFORCED

CONCRETE FACE

The article deals with the dam site shape effect produced on values of displacements in the perimeter joint of the 100 m high rockfill dam having a reinforced concrete

face. Six alternative options of the dam site were considered: 3 sites having trapezoidal shape and 3 sites having triangular shape. The options also differ in slopes of rock sides (1:2, 1:5, 1:1). Displacements in a perimeter joint were identified based on the analyses of stress-strain states of rockfill dams, completed using the method of contact finite element to model the behaviour of joints.

According to the author's findings, displacements in the perimeter joint occur in three directions: the opening, the outline deflection of the face and the longitudinal displacement of the face.

In the course of the modeling process, the perimeter joint opened in all six options, because horizontal displacements of the face (in the direction along the river channel) turned to be approximately equal to its settlement. In case of narrow (triangular) sites, the maximal opening of the joint occurs on the rock sides. In case of wide sites, opening at low levels increases to a considerable extent; large openings are observed not only on dam sides, but in the river channel, as well. An opening of the perimeter joint means reduction of values of tensile forces on the face.

If the perimeter joint opens, the face is free to move in other directions. Deflections may reach large values, especially if the dam site is wide and has steep rock sides. Deflections reach maximum values in the points, where the reinforced concrete face demonstrates its maximum deflection.

The studies prove that the width of the dam part in the river channel has the major effect on values of displacements in the perimeter joint.

Key words: reinforced concrete face, rockfill dam, perimeter joint, dam stress-strain state, joint opening, finite element method, face deflection.

References

1. Stapledon D., McGregor P., Bell G., Fell R. Geotechnical Engineering of Dams. Taylor & Francis, 2005.

2. Chartrand C., Claisse M., Beauséjour N., Briand M.-H., Bouzaiene H., Boisjoly C., Gonzaga G., Quenneville R., Bergeron A. Toulnustouc Dam. Canadian Consulting Engineer. October-November 2006, vol. 47, no. 6, p. 51.

3. Nichiporovich A.A., Borovoy A.A., editor. Proektirovanie i stroitel'stvo plotin iz mest-nykh materialov (po materialam VII i VIII Mezhdunarodnykh kongressov po bol'shim plotinam) [Design and Construction of Dams Made of Local Materials (based on the works of the 7th nd 8th International Congresses on Large Dams)]. Moscow, Energiya Publ., 1967, pp. 90—99.

4. Concrete Face Rockfill Dam: Concepts for Design and Construction. International Commission on Large Dams. Bulletin 141, 2010.

5. Rockfill dams with Concrete Facing-State of the Art. International Commission on Large Dams. Bulletin 70, 1989.

6. Sainov M.P. Osobennosti raschetov napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya kamennykh plotin s zhelezobetonnymi ekranami [Features of Analyses of the Stress-strain State of Rockfill Dams Having Reinforced Concrete Faces]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2006, no. 2, pp. 78—86.

7. Vybornov K.A., Sainov M.P. Vliyanie raboty shvov na prostranstvennoe napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie kamennoy plotiny s zhelezobetonnym ekranom [Effect of Behaviour of Seams on the Spatial Stress-strain State of a Rockfill Dam Having a Reinforced Concrete Face]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 5, pp. 12—17.

8. Yu H., Li Sh., Liu Y., Zhang J. Non-Linear Analysis of Stress and Strain of Concrete Faced Rockfill Dam for Sequential Impoundment Process. Mathematical and Computational Applications. 2010, vol. 15, no. 5, pp. 796—801.

9. Park Han-Gyu, Seo Min-Woo, Kim Yong-Seong, Lim Heui-Dae. Settlement Behavior Characteristics of CFRD in Construction Period - Case of Daegok Dam. Jour. of the KGS. September 2005, vol. 21, no. 7, pp. 91—105.

10. Szostak-Chrzanowski A., Massiéra M., Deng N. Concrete Face Rockfill Dams - New Challenges for Monitoring and Analysis. Reports on Geodesy. 2009, no. 2/87, pp. 381—390.

11. Gu Gangcheng. Trekhmernyy nelineynyy staticheskiy i dinamicheskiy analiz ka-menno-nabrosnykh plotin s zhelezobetonnymi ekranami metodom konechnykh elementov [3D Non-linear Static and Dynamic Analysis of Rockfill Dams Having Reinforced Concrete Faces Using FEM]. Hohai University, Nankin, 1990.

12. Ozkuzukiran R.S. Settlement Behavior of Concrete Face Rockfill Dams: a Case Study. Graduate School of Natural and Applied Sciences, Middle East Technical University, 2005.

13. Radchenko V.G., Glagovskiy V.B., Kassirova N.A., Kurneva E.V., Druzhinin M.A. Sovremennoe nauchnoe obosnovanie stroitel'stva kamennonabrosnykh plotin s zhelezobetonnymi ekranami [Modern Academic Substantiation of Construction of Rockfill Dams Having Reinforced Concrete Faces]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2004, no. 3, pp. 2—8.

14. Gol'din A.L., Rasskazov L.N. Proektirovanie gruntovykh plotin [Design of Earthfill Dams]. Moscow, ASV Publ., 2001, 384 p.

15. Rasskazov L.N., Dzhkha Dzh. Deformiruemost' i prochnost' grunta pri raschete vysokikh gruntovykh plotin [Deformability and Strength of Soils for Analysis of High Earthfill Dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 1997, no. 7, pp. 31—36.

About the author: Sainov Mikhail Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mp_sainov@mail.ru.

For citation: Sainov M.P. Issledovanie vliyaniya formy stvora na rabotu perimetral''nogo shva gruntovoy plotiny s zhelezobetonnym ekranom [Study of the Dam Site Shape Effect on the Behaviour of the Perimeter Joint of a Rockfill Dam Having a Reinforced Concrete Face]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 9, pp. 101—117.