Реконструкция земляных плотин

БУД1ВНИЦТВО, РЕКОНСТРУКЦ1Я ТА ЕКСПЛУАТАЦ1Я КОНСТРУКЦ1Й I СПОРУД ЗАЛ1ЗНИЧНОГО

ТРАНСПОРТУ

УДК 627.824.04

Оглоблин В.Ф., к.т.н., доцент

РЕКОНСТРУКЦИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

Постановка проблемы. Современное проектирование грунтовых плотин сопряжено с углубленным анализом статической и динамической их работы. Создание математических моделей грунтовых плотин, использующих теорию пластичности, не учитывают влияние на деформируемость тела плотины продолжительности действия и скорости приложения нагрузки. На работу грунтовой плотины оказывает влияние фильтрационный поток, имеющий в начальный период эксплуатации ее неустановившийся характер. Расчет движения фильтрационного потока в теле плотины осложняется в силу некоторой неопределенности граничных условий и фильтрационной анизотропности свойств грунтов (1).

Грунтовые плотины являются довольно широко распространенным типом водоподпорных сооружений в различных климатических зонах. Их возведение приводит к образованию огромных водохранилищ, аварии которых могут иметь катастрофические последствия. Различия климатических, геологических, топографических, гидрогеологических, сейсмических условий определяют особенности конструкций этих сооружений.

При реконструкции существующих грунтовых плотин (увеличение зеркала водохранилища, подъем и уширение гребня плотины, устройства экрана и т.д.) весьма актуальным вопросом является оценка технического состояния. Эта оценка сопровождается изучением геологического строения основания, тела плотины и примыканий плеч плотины. При этом следует учитывать, что многие из них возводились без надлежащей

проектной документации. Практика эксплуатации таких сооружений указывает на то, что они ненадежны и недолговечны.

Целью настоящей работы явилась оценка технического состояния существующей грунтовой плотины, анализ напряженно-деформируемого состояния ее, что позволило бы определить необходимый комплекс защитных мероприятий для обеспечения ее эксплутационной пригодности.

Характеристика объекта и методика исследований. Поставленная цель реализовывалась по существующей грунтовой плотине в с. Мемрик Красноармейского района Донецкой области. Общее состояние этого гидротехнического сооружения требовало принятия ряда защитных мероприятий по усилению тела грунтовой плотины и повышению ее устойчивости.

Плотина возведена в 85-90 гг. По принятой в гидротехнике классификации рассматриваемая плотина грунтовая, насыпная, однородная, без ядра, экранов и диафрагм. По высоте гребня она относится к низким (Н < 25 м). Сведений о конструктивных особенностях плотины, методах ее возведения, составе грунтов в теле плотины, основании и примыкании плеч, способах уплотнения грунтов в теле плотины не имеется.

Приведенные обстоятельства существенным образом влияли на выбор методики исследований и анализ факторов, влияющих на работоспособность сооружения, выбор различных критериев оценки.

Для расчета устойчивости откосов требуется построение гидродинамической сетки движения фильтрационного потока и депрессионной поверхности; определение параметров фильтрационного потока; определение фильтрационных расходов через тело плотины. Этому этапу предшествует целый комплекс топогеодезических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрологических и обмерочных работ.

Основное содержание исследований. Для образования тела плотины протяженностью около 100м был использован местный материал вблизи створа. Грунты тела плотины представлены желто-бурыми лесовидными супесями и легкими суглинками мощностью 12-14 м, подстилаемые на указанной глубине, по всей вероятности, отложениями каменноугольной системы. Промеры глубин водохранилища указывают на то, что максимальные глубины его приурочены к центральной части и не превышают 5-5,5 м. Ширина по гребню плотины составляет 6-10 м. Высота плотины со стороны нижнего бьефа составляет 12 м. Общий вид плотины приведен на рисунке 1.

1 - тело плотины

2 - контрбанкет

3 - подпорная стенка

4 - кривая депрессии

Рисунок 1 - Общий вид плотины

В процессе проведения исследований и обмерочных работ было установлено, что как со стороны верхнего бьефа, так и со стороны нижнего бьефа имеют место фильтрационные деформации тела плотины в виде так называемого фильтрационного выпора (выноса) со стороны нижнего бьефа и фильтрационного размыва вследствие волновой деятельности со стороны верхнего бьефа. По результатам проведенных наблюдений величина фильтрационного размыва (интенсивность) составляет 0,3-0,6 м в год, что требует немедленного закрепления верхнего откоса. Заложение нижнего откоса плотины составляет 1-1,5. Опыт же строительства и проектирования земляных насыпных плотин из песчаных и глинистых грунтов указывает на то, что заложение нижнего откоса следует принимать более пологим для плотин указанной высоты.

Для оценки фильтрационного режима в грунтовых плотинах используются как расчетные, так и экспериментальные методы. Расчетные методы разделяются на гидравлические и механические. Гидравлический метод расчета основан на использовании ряда приемов, упрощающих задачу. Эти приемы основываются на следующих положениях (2).

1. Фильтрационный поток предполагается плавноизменяющимся, криволинейные очертания эквипотенциалов в низовой призме однородной плотины могут быть заменены вертикальными линиями. Для фильтрационного потока в двух вертикальных сечениях применяется известная в гидравлике формула Дюпюи. Для простейшего прямоугольного сечения (рисунок 2а) кривая депрессии является кривой спада, а расход определяется формулой

V Н д = К

Н 2

ф

2 Ь

а глубина фильтрационного потока находится из выражения

Ну =у1 Н2 + (Н2 - Н22)X /ь,

где Ь - расстояние между рассматриваемыми сечениями.

] а

ш

^ Кф-Кф1 / > ^

Ь

а)

б)

Рисунок 2 - Схема фильтрации

2. При фильтрации потока через слои разной проницаемости можно ввести некоторые виртуальные области фильтрации. При этом ряд вертикальных слоев различной мощности можно заменить одним слоем толщиной й (рис. 2б). Это условие принимается и для ряда горизонтальных слоев.

3. Верховой клин плотины может быть заменен эквивалентным прямоугольным массивом

т,

1 + 2т1

Н

где т] - заложение верхового откоса.

4. Промежуток высачивания Д в области низового клина (при кф плотины = кф основания) приближенно рассчитывается по формуле:

Д=12

А + 7^404^

в

экв

где

А = 0,5

дт2

1 +

0,4

т

к

2

ч=

Н2 - н 22

2

где ч - удельный расход; т2 - заложение низового откоса.

Рисунок 3 - Схема фильтрации в однородной плотине при замене верхового клина эквивалентным прямоугольным клином

Поперечный профиль плотины определяется заложением верхового и низового откоса, наличием берм, отметкой и шириной гребня плотины. Отметка гребня плотины определяется от нормального и форсированного уровня воды в водохранилище, а также исходя из расчетных значений элементов ветровых волн и конструктивных особенностей гребня плотины. Превышение отметки гребня плотины над статическим уровнем в водохранилище определяется выражением

й = Ак+кн + а,

где Ак - высота ветрового нагона волны; кн - высота наката волны на откос; а - запас принимаемый не менее 0,5 м

X

Рисунок 4 - Схема к определению отметки гребня плотины

Проектом реконструкции плотины предусмотрено крепление откосов плотины для защиты их от волнового воздействия. Крепление откосов устраивается в зоне колебания воды. Верхняя граница основного крепления из бетонных или железобетонных плит должна соответствовать отметке наката. Нижняя граница основного крепления должна располагаться ниже отметки УМО на расстоянии двух-трех размеров высоты волны.

В качестве материала наброски предусмотрен природный камень значительной прочности (дсж > 50 МПа, Б > 50, у = 24 кН/м ). Расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия, рассчитывался из выражения

О-

м Гки2 л

(п / Го-1)^1

+

где М - коэффициент принимаемый для бетона равным 0,021, для каменной наброски - 0,025;

ук - удельный вес камня; ш - заложение откоса;

Нв и X - расчетные значения высоты и длины волны. Приняв Ь = 30 м, х = 10 м и Кф = 0,4 м/сут из выражения (1) находим единичный расход

д = 0,4

13,52 - 2,52 2 • 30

"2

* 1 м / сут .

Из выражения (2) глубина фильтрационного потока составит

Ну = ^2,52 + (182,25 - 6,25) 10/30 « 8м.

Ширину эквивалентного массива вэк находим из выражения (3), приняв т] = 2,5:

2,5

в„

--13 « 5,5м.

1 + 2 • 2,5

Промежуток высачивания А в области низового клина

где

А = 12[1,252 +-у11,252 + 0,4 • 3,8 • 2,5]« 4,2 м.

А = 0,5

3,8 -1,5 -

1 + М

1,5

• 2,5

= 1,25.

Ч =

82,25 - 6,25 2

= 3,8м3 / сут .

Превышение отметки гребня плотины над расчетным статическим уровнем воды из выражения (7) составит

й = 0,25 +1,5 + 0,5 = 2,25 м.

Таким образом, существующая отметка гребня плотины ниже расчетной на 0,25 м.

Расчетный вес камня, устойчивого против разрушающего действия из выражения (8) составит

^ 0,021 • 24 • 0,52 -1,5 О =-, = 0,5 кг.

(24/19 -1)^1 + 2,5

Расчетом устойчивости плотины, произведенным ранее, было установлено, что коэффициент устойчивости составил 0,9-1. Для увеличения устойчивости плотины был разработан проект подпорной стенки уголкового типа с анкерными тягами. Засыпка грунтом пазух подпорной стенки, выполняющей роль контрбанкета, позволила увеличить заложение откоса со стороны нижнего бьефа. В качестве защитных

мероприятий было предложено устройство в центральной части плотины противофильтрационной грунтоцементной диафрагмы длиной 40 м переменной глубины.

Со стороны верхнего бьефа при производстве геодезических работ были произведены промеры дна по поперечным створам плотины, которые позволили построить гипсометрические кривые и определить объем необходимых материалов для восстановления первоначального откоса.

Выводы. Выполненные исследования и аналитические расчеты позволили дать более обоснованную оценку технического состояния грунтовой плотины, на основе которой были разработаны и частично реализованы защитные мероприятия по повышению устойчивости тела плотины.

Список литературы

1. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. - М., Энергоатомиздат, 1987. - С. 303.

2. СНиП 2.06.05-84 Плотины из грунтовых материалов. - М., Стройиздат, 1984. - С. 31.