Влияние на напряжённо-деформированное состояние грунтовой плотины прочности контакта плотины со скалой

ВЛИЯНИЕ НА НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ ПРОЧНОСТИ КОНТАКТА ПЛОТИНЫ СО СКАЛОЙ

INFLUENCE OF CONTACT DAM-ROCK STRENGTH ON DEFLECTED MODE OF EARTH DAM

E.A. Харламова, М.П. Саинов E.A. Kharlamova, M.P. Sainov

ГОУ ВПО МГСУ

C помощью численного моделирования показано, что при крутых скальных бортах происходит проскальзывание каменно-земляной плотины относительно скалы. Этот процесс благоприятно сказывается на прочностном состоянии ядра.

By means of numerical analys is shown, that when steep rock sides occur slide of earth-and-rock-fill dam relative to rock. This process has an favourable impact on kernel strength state.

Высокие грунтовые плотины возводятся в основном в глубоких горных ущельях с крутыми скальными бортами. Логично предположить, что в процессе возведения плотины возможно проскальзывание грунта относительно скальных бортов, что влияет на её напряжённо-деформированное состояние (НДС) плотины. Чтобы оценить значение влияния этого фактора нами были проведены численные исследования.

Исследования НДС проводились в пространственной постановке численным методом - методом п конечных элементов. Для расчетов использовалась вычислительная программа Nds-N, разработанная к.т.н. Саиновым М.П.. Программа позволяет учитывать нелинейность поведения грунта, последовательность возведения плотины и наполнения водохранилища. Нелинейность деформирования грунтов описывалась моделью д.т.н. Рассказова Л.Н [1]. Для моделирования контакта «грунт-скала» были использованы специальные контактные элементы типа «поверхность-

поверхность» (рис. 1). Они позволяют отразить воз- , ТГ

Рис. 1 Контактный элемент типа

можность раскрытия контакта при нарушении прочно-

«поверхность-поверхность»

сти на растяжение (рис.2а) и проскальзывания при нарушении прочности на сдвиг (рис.2б). Предельное сопротивление сдвигу Тпред определяется по закону Кулона:

тПред=стп tg9+c,

где стп - нормальное напряжение, ф - угол внутреннего трения на контакте, с -удельное сцепление контакта.

Рис. 2 а) зависимость нормальных сжимающих напряжений an на контакте от относительных нормальных перемещений AUn; б) зависимость касательных напряжений т на контакте от относительных касательных перемещений AUT

Расчет производился на примере сверхвысокой грунтовой плотины высотой 300 м1. Ширина гребня плотины принята равной 20 м, общая ширина подошвы -1220 м. Противофильтрационный элемент выполнен в виде центрального ядра из супеси толщиной по низу 150 м. Упорные призмы имеют уклон откосов 1:2 и выполнены из гравийно-галечникового грунта (рис. 3а). Плотина расположена в створе протяженностью 700 м (рис. 36).

Рис. 3 а) поперечное сечение плотины, б) сечение плотины по створу

1 Рассматриваемая плотина близка к плотине Нурекской ГЭС. Деформативные характеристики грунтов плотины подбирались так, чтобы напряжённо-деформированное состояние плотины соответствовало измеренным в натуре на плотине Нурекской ГЭС.

Плотина и основание были разбиты сеткой МКЭ со следующими параметрами: количество узлов - 10768;

количество элементов - 10480, из которых 1076 контактных; количество степеней свободы - 28661.

Свойства грунтов тела плотины, по модели приведены в табл. 1:

Табл. 1

Условное обозначение Ее Ос п Р Ц> Ф с

Параметр модели Модуль объемной деформации при ст=1т/м2 и ^да Модуль пластическ0й деформации при ст=1т/м2 и ^да Показатель степени Плотность грунта Начальная энергия деформирования Угол внутреннего трения грунта Удельное сцепление

наименование грунта ед. изм. тс/м2 тс/м2 - тс/м3 тс/м2 0 тс/м2

Гравийно- 2000 4000 0.70 2.16 4.00 46 0

галечниковыи грунт

Песок 1700 3000 0.80 1.80 1.50 34 0

Супесь 400 850 0.50 2.14 4.00 23 3,0

Скальное основание 308640 406500 1.00 0.00 10000 40 1000

Свойства контактных элементов с учётом возможности «отлипания» и проскальзывания контакта приведены в табл. 2.

Табл. 2

Условное обозначение кп кт Ф с Рраст

Характеристики контакта Нормальная жесткость Касательная жесткость Угол внутреннего трения грунта Удельное сцепление Предел прочности на растяжение

Вид зоны кон- ед. такта изм. тс/м3 тс/м3 0 тс/м2 тс/м2

контакт гравийно-галечникового грунта призмы со скалой 200000 20000 42-45 0.00 1.0

контакт песчаного грунта со скалой 100000 10000 34 0.00 1.0

контакт супеси со скалой 80000 5000 23 2.50 2.0

Плотина «возводилась» в три очереди (до У125,00 м, до У215,00 м, до У300,00 м).

Для выявления значения нарушений на контакте «грунт-скала» было произведено три расчета:

1) с прочным контактом «грунт-скала» (без нарушений) и грунтами тела плотины, сохраняющими свою прочность по модели Кулона-Мора;

2) с учётом возможности «отлипания» и проскальзывания грунта относительно скалы;

3) с прочным контактом «грунт-скала» (без нарушений), но с возможностью нарушения прочности на сдвиг грунтов плотины (по модели Кулона-Мора).

Вариант 1 был принят в качестве базового для выявления влияния прочности контакта на НДС плотины.

В результате расчётов (вариант 2) было выявлено, что практически на всех участках сопряжения плотины со скальными бортами происходит её проскальзывание относительно скалы.

Нарушение прочности контакта "грунт-скала" привело к увеличению перемещений плотины. Перемещения увеличились не только в приконтактных зонах плотины, но и в центральном сечении. Увеличение осадок было незначительным (с 245 до 254 см), а смещений - на 28% (с 121 до 155 см).

Но, конечно, наиболее сильные изменения произошли в приконтактной области. Это хорошо видно на рис.4, 5 где показаны эпюры перемещений плотины в сечении по створу (перемещения и2 в направлении от борта к борту и осадки иу). В варианте 1, без учёта возможности проскальзывания грунта по скале, перемещения грунта в этих зонах практически отсутствуют. В варианте 2 наблюдается сдвиг грунта относительно скалы. За счёт этого осадки и смещения вырастают до 40-50 см (рис.4,5). Грунт плотины стремится уплотниться и сместиться в направлении к русловому сечению.

/

fv /

/

1 J

1/

FW4 ^П^ИТ-МЛ!* u ЩИ"""» Ti КЧЬ [.ЦГРЧЧР! Т-ГУ- ПДЯГУНМЧ

-"ИЛП-ЕЧ-ТИИ ík "j- "ч™ ШЧИМ-IT

Р|П  MtflpMtUl 1^-1 Н ш№1 II.VIEkHBL

Рис. 4 Перемещения Uz в сечении плотины по створу, [см]

«

Аналогичные тенденции были получены в варианте 3. В этом варианте возможность нарушений на контакте была исключена, но моделировалась возможность нарушения прочности грунта на сдвиг по модели Кулона-Мора. За счёт сдвиговых деформаций грунта в приконтактной области плотина в варианте 3 получила практически такие же осадки и смещения, как в варианте 2.

Н Л1 «Н кК 1 н н

ЧЧ' П 11[»-инич Сз гчI нсприинпг ШН1Н1Г I

' 114 НЗ-^Ч Ч- II НЛ|[АПНИЧ. "п Ч'П. I

Рис. 5 Осадки иу в сечении плотины по створу, [см]

Особый интерес представляет анализ прочностного состояния контакта "грунт-скала", который можно сделать на основании картины распределения коэффициента надежности (к=ХпреД/х) в контактном сечении (рис.6). В русловой зоне коэффициенты надежности достаточно велики. Нарушение прочности на сдвиг наблюдается на всех бортовых сечениях, в которых угол наклона к горизонту а>50°, то есть при уклоне откоса tg а= 1,2. Это объясняется тем, что в прибортовой зоне, в ядре и упорных призмах малы нормальные напряжения, «прижимающие» грунт плотины к скале. За счёт этого практически весь контакт в области примыкания верхней части ядра к скале находится в предельном состоянии.

ч

«II йп иг

г » м к и Л

.г

I

и II

Рис. 6 Распределение коэффициента надежности по модели в контактном сечении при непрочном контакте «грунт-скала»

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

Из этого следует, что в прибортовых зонах ядра должен быть уложен более пластичный грунт, который позволит избежать трещинообразования в ядре при оползании ядра по склону.

Выводы:

В сверхвысокой плотине с крутыми бортами происходит нарушение прочности контакта ядра и упорных призм со скалой на сдвиг, то есть проскальзывание плотины относительно скалы.

1. Для сверхвысокой плотины, рассмотренной в данной исследовательской работе, при наклоне борта круче 1:0,85 происходит нарушение прочности на сдвиг контакта «грунт ядра-скала».

2. За счет нарушения прочности контакта происходит рост осадок и смещений грунта в прибортовой области, что ведёт к сглаживанию эффекта «зависания» ядра. Это в свою очередь благоприятно сказывается на прочностном состоянии ядра, так как увеличивает уровень сжатия грунта, однако требует более тщательного подбора грунта ядра и методов его укладки в прибортовой зоне

3. Результаты, полученные при решении задачи для двух вариантов расчёта, в одном из которых сдвиговые нарушения могли происходить только грунте (вариант 3), а в другом - ив грунте и на контакте «грунт-скала» (вариант 2), схожи, что говорит о том, что в области контакта плотины со скалой обязательно следует ожидать сдвиговые нарушения.

Список литературы

1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. «Проектирование грунтовых плотин» - М.: АСВ, 2001.

References

1. Goldin A.L., Rasskazov L.N. Design of earth dams - M.: ASV, 2001.

Ключевые слова : каменно-земляная плотина с ядром, напряжённо-деформированное состояние, прочность грунта,

Key words: earth-core dam, deflected mode, soil strength.

Телефоны авторов :(499) 261-31-43 e-mail авторов :mp_sainov@mail.ru

Рецензент: заместитель руководителя Центра безопасности судоходных гидротехнических

сооружений РРР, к.т.н.А.И. Глазов