Расчет устойчивости откоса дамбы

Геотехнологии. Безопасность жизнедеятельности

Расчет устойчивости откосов ограждающих дамб золоотвалов

Б езопасная и эффективная работа золоотвала Топарской ГРЭС № 2 возможна при организации наблюдений за состоянием устойчивости откосов ограждающих и внутренних разделительных дамб. Исследуемый золоотвал овражного типа образован ограждающими дамбами № 1, № 3 и хвостовой частью дамбы № 3, а также природными возвышенностями. Рельеф основания всей площади золоотвала имеет общий понижающий уклон в сторону ограждающих дамб № 1, № 3.

При гидравлической укладке золошлакового материала в отвал ограждающие дамбы подвергаются гидравлическому давлению этого материала в водонасыщенном состоянии (или воды отстойного пруда), а также воздействию фильтрационного потока.

Гидрогеологические условия всех дамб Топарской ГРЭС определяются наличием золоотстойников – сбросные, технические воды и атмосферные осадки, инфильтруясь через золу и дресвяно-щебневы прослои в теле дамб, подпитывают природные грунтовые воды, приуроченные к элювиальным грунтам (кора выветривания скальных пород). Анализ материалов прошлых лет [1] по золоотвалу показывает повышение уровня подземных вод в связи с наращиванием дамб и расширением золоотвала. Скорость подъема уровня грунтовых вод в теле дамб обусловливается литологическим составом грунтов и достигает 0,5 м в год.

Разведочными работами золоотвала Топарской ГРЭС установлено, что происходит фильтрация из водохранилища под телом ограждающих дамб №1 и № 3 через мелкие пески четвертичного возраста. Частичную фильтрацию можно предполагать в обход дамбы через дресвяно-щебневы породы девона и на отдельных участках через тело плотины. Фильтрация имеет напорно-безнапорный характер движения: напорный – под плотиной, свободный – в обход плотины и в нижнем бьефе. Депрессионная кривая имеет сложную форму, понижаясь к центру тела дамбы в продольном и поперечном профилях. В верхнем бьефе воды вскрыты на глубинах от 0.0 до 5.60-9.0 м, по оси дамбы – на глубинах 3.40-12.0 м. В нижнем бьефе воды залегают на глубине 0.50-1.40 м.

Устойчивость ограждающих и разделительных дамб хвостохранилищ определяется комплексом инженерно-геологических, гидрогеологических и техногенных факторов, из которых наибольшее влияние оказывают следующие: физико-механические характеристики грунтов и хвостов; технология возведения и эксплуатации сооружения; характер основания; гидродинамические, гидростатические, сейсмические и динамические силы.

При расчетах устойчивости откосов ограждающих дамб хвостохранилищ необходимо учитывать, что физико-механические характеристики тела дамбы претерпевают существенные изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения за счет: неравномерности намыва и заполнения секций золоотвала, изменения пьезометрического уровня воды, фильтрации и выноса глинистых частиц из тела дамбы, температурного режима, наращивания высоты дамбы, влияния транспортных средств и т.п.

С геомеханической точки зрения ограждающее намывное сооружение представляет собой водонасыщенный массив, который находится в динамическом состоянии. В результате намыва отходов происходит рост ограждающего сооружения в высоту, что приводит к деформациям намывного массива. С появлением прудка и по мере роста высоты сооружения в нем происходит изменение фильтрационного режима.

В процессе строительства и эксплуатации насыпных ограждающих дамб сталкиваются с различными видами фильтрации воды. Различают фильтрационные потоки допустимые, которые в случае принятия соответствующих мер не являются опасными для сооружения, и недопустимые, которые представляют угрозу для устойчивости сооружения. Возникновению опасных сосредоточенных фильтрационных потоков могут способствовать недостаточное и нетщательное уплотнение отсыпаемого грунта; таяние льда, попавшего в насыпь во время отсыпки грунта; неравномерная осадка основания.

Для обоснования устойчивости откосов ограж­дающих дамб требуется детальное изучение всех факторов, влияющих на процесс сдвижения пород насыпного сооружения, при этом решающее значение приобретает выбор способа расчета, который отвечал бы конкретным гидрогеологическим условиям и физико-механическим свойствам пород, слагающих тело дамб и их оснований.

Разнообразие инженерно-геологических и гидротехнических условий, технических решений по возведению ограждающих дамб и способов их наращивания в процессе работы золоотвалов, намываемых гидротранспортом, предопределило наличие разных способов расчета устойчивости откосов насыпных сооружений, учитывающих конкретные случаи нарушения целостности ограждающих дамб.

Исследуемые способы расчета производят оценку состояния отдельных элементов ограждающего сооружения (устойчивость низового откоса, откоса дамбы и отдельных плоских прослойков дамбы с глинистым экраном). Однако золошлаковые отвалы представляют собой единую технологическую систему, которые занимают значительные территории с разной топографией земной поверхности, различными условиями намыва и сроком эксплуатации, имеют общее для всех ограждающих и разделительных дамб основание. Поэтому необходимо при расчетах устойчивости рассматривать влияние на состояние ограждающих дамб обводненности пород тела дамб и грунтов основания и дополнительных нагрузок со стороны шлакоотвала.

Анализ существующих методик и решений показал, что основное внимание в них уделено устойчивости собственно откоса дамбы и влиянию гравитационных и фильтрационных сил. По нашему мнению, недостаточно изучены вопросы устойчивости единой механической системы «шлакоотвал-дамба» и собственно дамбы по основанию с учетом изменяющихся во времени физико-механических свойств грунтов тела дамб и их основания, геометрических параметров сооружения, степени обводненности шлакоотвала и сдвигающего действия сил гидростатического давления. Для решения данной задачи разработаны научно-методические основы расчета устойчивости ограждающих дамб шлакоотвалов и прочих хвостохранилищ, имеющих высокую степень обводненности.

Разработаны две расчетные схемы устойчивости системы «шлакоотвал-дамба» и устойчивости дамбы при сдвигающем действии сил гидростатического давления. Наиболее важные особенности предложенных решений в рамках совершенствования методики расчета устойчивости ограждающих дамб и шлакоотвалов состоят в следующем:

1) разработана расчетная схема устойчивости системы «шлакоотвал-дамба», которая учитывает соотношение сдвигающих и удерживающих сил, действующих по основанию дамбы и шлакоотвала, которая позволяет оценить степень устойчивости данной механической системы;

2) разработана расчетная схема устойчивости дамбы по её основанию, учитывающая сдвигающее действие сил гидростатического давления при высокой степени обводненности шлакоотвала. В соответствии с законом Паскаля величина гидростатического давления линейным образом зависит от глубины шлакоотвала, а эпюра имеет треугольную форму.

На рисунке 1 представлена расчетная схема системы «шлакоотвал-дамба», которая учитывает геометрические параметры сооружения, взаимодействие элементов системы «шлакоотвал – дамба», степень обводненности шлакоотвала и топографию земной поверхности.

Для оценки состояния ограждающей дамбы строится поперечный профиль по известным геометрическим параметрам дамбы, шлакоотвала и углу наклона основания шлакоотвала. Схема разбивается на расчетные элементы, определяются сдвигающие и удерживающие силы, оказывающие воздействие на дамбу.

Рассмотрим устойчивость системы «шлакоотвал-дамба».

I. Выполняем расчет первого элемента системы (дамбы).

Определяем вес дамбы с учетом треугольника С1DF:

(1)

где S_ABCD и S_C1DF – площади фигур на рисунке 1.

Вычисляем нормальные силы блока, действующие на основание АD:

(2)

Вычисляем сдвигающие силы, действующие на призму возможного обрушения по поверхности скольжения АD:

(3)

Определяем удерживающие силы в соответствии с теорией предельного равновесия для данного расчетного элемента по поверхности скольжения АD:

(4)

II. Выполняем расчет второго элемента системы – шлакоотвала.

Вычисляем вес шлакоотвала – фигуры EDF:

(5)

где S_EDF – площадь фигуры на рисунке 1.

Вычисляем нормальные силы, действующие на основание шлакоотвала длиной DE:

(6)

Рисунок 1 – Схема к расчету устойчивости системы «шлакоотвал-дамба»

Вычисляем сдвигающие силы, действующие на призму возможного обрушения, по поверхности скольжения DE:

(7)

Определяем удерживающие силы в соответствии с теорией предельного равновесия для расчетного элемента системы – шлакоотвала по поверхности скольжения DE:

(8)

III. Составляем уравнение предельного равновесия системы «шлакоотвал-дамба». Определяем суммарные сдвигающие и удерживающие силы системы

(9)

(10)

Коэффициент запаса системы определяем как отношение удерживающих и сдвигающих сил, действующих по линии АЕ, определяется по формуле

(11)

где n_з – нормативное значение коэффициента запаса.

Рассмотрен простейший случай расчетной схемы с прямолинейным основанием. При более сложной геометрии дамбы и топографии земной поверхности, основание системы разбивается на участки, а сама система – на расчетные блоки. Разработана компьютерная программа «Дамба-I», позволяющая выполнять расчеты устойчивости при различных геометрических параметрах сооружения, при изменении физико-механических характеристик грунтов тела дамбы и ее основания, учитывающая изменение угла наклона основания земной поверхности золоотвала.

Для оценки состояния дамб при сложной топографии земной поверхности золоотвала рассмотрим вопрос устойчивости системы «шлакоотвал-дамба» для условий Топарской ГРЭС № 2 при увеличении наклона основания. Результаты выполненных расчетов приведены в таблице.

Выполненные расчеты подтверждают достаточную степень устойчивости системы «шлакоотвал-дамба» для условий дамбы № 3 Топарской ГРЭС № 2.

Столь высокие значения коэффициентов запаса системы обусловлены равнинным характером местности, на которой они расположены, с наклоном от 0,5 до 1,5°. Применение указанной расчетной схемы целесообразно при больших значениях углов наклона участков формирования шлакоотвалов (более 5 – 10°). График изменения коэффициента запаса устойчивости системы «шлакоотвал-дамба № 3» приведен на рисунке 2.

Нарушение же целостности насыпной дамбы № 3 может произойти в результате повышения уровня воды в верхнем бьефе пруда-отстойника и образования в теле дамбы неустановленных опасных ходов сосредоточенной фильтрации.

Для анализа устойчивости системы «шлакоотвал-дамба» при высокой степени обводненности шлакоотвала разработана расчетная схема устойчивости дамбы по её основанию (рисунок 3), которая учитывает сдвигающее действие сил гидростатического давления. При решении данной схемы учитывается равнодействующая сил гидростатического давления, направленная вдоль основания дамбы, которая оказывает сдвигающее действие.

Рассмотрим устойчивость дамбы под действием сил гидростатического давления воды (рисунок 3).

(I) Определяем вес дамбы

(12)

где S_ABCD – площадь поперечного сечения дамбы;
γ_д – объемный вес пород дамбы.

Вычисляем нормальные силы блока, действующие на основание АD:

(13)

Расчет устойчивости откосов

Геотехническая постановка задачи

Расчет устойчивости откосов и склонов, противооползневых удерживающих инженерных сооружений, всегда основывается на данных инженерно-геологических и геотехнических изысканий, на количественном и качественном анализе оползневых факторов.

В настоящее время существует много методик по расчету устойчивости откосов, все они сводятся к трем базовым классам методов:

• методы предельного (пластического) равновесия;
• методы конечных элементов;
• комбинированные методы.

Выбор тех или иных методов в первую очередь определяется типом оползневого процесса и механизмом возможного смещения оползневых масс. Каждый оригинальный способ расчета характеризуется своей оригинальной системой, полученной в данном способе с использованием того или иного допущения (необходимость которого связана со статической неопределенностью задачи).

Класс методов предельного равновесия, может быть представлен методами Моргенштерна-Прайса, упрощенным методом Бишопа и обобщенным методом Янбу. Методы Бишопа и Моргенштерна-Прайса рассматриваются действующими нормативными документами (п. 4.2.11 СП 11-105-97, Часть II [4]) в качестве общепринятых методов расчета устойчивости склонов. Метод конечных элементов, представляющий класс численных методов и рекомендованный к применению в актуализированных редакциях нормативных документов (п. 5.2.3 СП 116.13330).

Метод Бишопа

При расчете устойчивости откосов, в упрощенном методе Бишопа удовлетворяются условия равновесия общих моментов и вертикальных сил (равновесие сдвигающих сил не соблюдается). Несмотря на то, что условия равновесия удовлетворяются не полностью, тем не менее, метод обеспечивает хорошие результаты и рекомендуется для проведения большинства практических расчетов, проводящихся по круглоцилиндрической поверхности. Многоугольник сил, построенный на основе метода Бишопа, показан на рисунке.

Вследствие того, что коэффициент устойчивости FS входит в обе части уравнения, для его решения необходимо задаться предположением о начальном значении коэффициента устойчивости. Далее решение данного уравнения сводится к итерационному процессу (до тех пор, пока вычисляемый FS не окажется меньше заданной допустимой погрешности).

Бишоп провел сопоставление коэффициентов запаса, полученных с помощью упрощенного и более строгих методов, которые удовлетворяют всем условиям равновесия. Он установил, что вертикальная составляющая сил взаимодействия может быть принята равной нулю, не приводя к существенным ошибкам, обычно с расхождением менее 5%. Следовательно, упрощенный подход, в котором вертикальные составляющие сил взаимодействия приводятся к нулю, обеспечивает тот же результат, что и строгий, при котором удовлетворяются все условия равновесия.

Метод Янбу

Метод Янбу был разработан в 1954 году норвежским профессором геотехники Нилмаром Оскаром Чарльзом Янбу. Он очень схож с методом Бишопа. С его помощью также, в геотехнической практике, выполняются расчеты оползневых склонов. Отличием является то, что в данном методе осуществляется удовлетворение равновесию сдвигающих сил, при этом не соблюдается удовлетворение равновесию моментов. Диаграмма распределения сил в отсеке и многоугольник сил, построенные при расчёте по упрощённому методу Янбу показаны на рисунке

Анализируя многоугольник сил в отсеке, можно сказать что многоугольник, получающийся по методу Янбу, замкнут лучше, чем в методе Бишопа. Стоит отметить, что при расчёте по круглоцилиндрической поверхности результаты по методу Янбу получаются заниженными.

Уравнение для вычисления коэффициента устойчивости по упрощённому методу Янбу показано на рисунке.

Упрощённый метод Янбу является наиболее близким к методу Маслова-Берера, рекомендованному российскими нормативными документами для расчёта устойчивости склонов, так как относится к группе методов горизонтальных сил, действующих на границе отсеков.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ, FEM) наряду с методами конечных разностей является одним из основных численных методов решения задач механики сплошной среды.

Одна из особенностей МКЭ состоит в том, что он базируется скорее на интегральной формулировке анализируемого явления, нежели на дифференциальной форме, которую представляют уравнения в частных производных и граничные условия. Эта интегральная формулировка может быть вариационного (если это возможно) либо проекционного типа.

Основная концепция метода конечных элементов состоит в том, что искомую непрерывную величину аппроксимируют кусочным набором простейших функций, заданных над ограниченными конечными подобластями (элементами). С помощью такой процедуры интегрирование дифференциальных уравнений аналитической постановки задачи сводится к решению системы линейных уравнений. Количественные значения неизвестной величины отыскиваются в ограниченном числе точек (узлов) области, а в пределах элементов значения неизвестной функции и ее производных определяются уже аппроксимирующими функциями и их производными.

Наиболее важными преимуществами МКЭ благодаря которым он так широко используется, являются:

• свойства материалов смежных элементов могут быть различными, что позволяет применять метод для моделирования напряженно-деформированного состояния неоднородных сред;
• методом можно пользоваться для областей с любой формой внешних и внутренних границ;
• размеры элементов могут быть переменными, что позволяет укрупнить или измельчить сеть разбиения области на элементы;
• с помощью МКЭ не представляет труда рассмотрение граничных условий с разрывной поверхностной нагрузкой, а также смешанных граничных условий.

Большое практическое применение МКЭ получил при решении геотехнических задач, касающихся расчета устойчивости откосов и склонов, так как позволяет учесть сложную геометрию откосов и их неоднородность.

В отличие от методов, основанных на анализе предельного равновесия, в МКЭ нахождение нормальных и касательных напряжений по поверхности скольжения осуществляется с учетом деформационных свойств грунтов (модуля Юнга и коэффициента Пуассона).

Анализ напряженного состояния методом конечных элементов удовлетворяет условиям статического равновесия и позволяет оценить изменения напряжений, вызванные варьированием деформационных свойств, неоднородности и геометрических форм.

Поле напряжений в откосе определяется решением двухмерной задачи плоской деформации с использованием конечных элементов треугольной формы. На рисунке выше показана конечно-элементная дискретизация, применяемая при расчетах откосов. Жесткие границы заданы на значительном расстоянии от откоса, поэтому наличие их не влияет на напряженное состояние откоса. В методе конечных элементов матрица жесткости элементов, которая связывает силы и перемещения в узлах, определяется исходя из минимизации полной потенциальной энергии. Эти матрицы жесткости затем накладываются, образуя общую матрицу жесткости системы. Задав силы и перемещения в каждом узле на границах, система совместных уравнений, базирующихся на общей матрице жесткости, может быть разрешена относительно перемещений каждого узла. После того как установлены перемещения, для каждого элемента можно определить напряжения.

Решение краевой задачи о напряженно-деформированном состоянии рассматриваемой расчетной области сводится к численному решению системы уравнений:[K] = , — вектор узловых перемещений; — вектор нагрузок.

При решении нелинейной задачи механики деформируемого твердого тела совместно с уравнением решается также другая система уравнений, задаваемая соотношением F(<σ>, <ε>) = 0.

При этом решение задачи сводится к подбору исходных параметров <ε0>или <σ0>(соответственно при использовании метода начальных деформаций или начальных напряжений), которые удовлетворяют условиям равновесия рассматриваемой расчетной области. Подбор этих параметров осуществляется итерационными методами.

Определение устойчивости склона выполняется методом редукции (ступенчатого уменьшения) прочностных параметров материалов модели, доводя модель до искусственного разрушения. Состояние математической модели, при котором не может быть получено устойчивое решение краевой задачи вследствие безграничного нарастания деформаций расчетной области, трактуется как предельное.

Коэффициент запаса несущей способности откосов и склонов определяется как отношение исходных прочностных параметров пород, слагающих рассматриваемый откос (склон) к их минимальным значениям, при которых решение краевой задачи еще возможно.

За рубежом, при моделировании устойчивости склонов, наиболее часто используется нижняя предельная теорема пластического разрушения.

В основе расчетных методов оценки устойчивости оползневых и оползнеопасных склонов лежат две предельные схемы (Р.Р. Чугаев, Ж. Косте, Г. Санглера).

Идея первой предельной схемы (фактических и уменьшенных прочностных характеристик) состоит в нахождении таких критических значений прочностных характеристик грунта, что бы расчетный склон перешел в состояние предельного равновесия. Соответственно коэффициент устойчивости при подобном подходе определяется как отношение фактических прочностных характеристик к их критическим значениям.

Идея второй предельной схемы (удерживающих и сдвигающих усилий) заключается в изучении соотношения сдвигающих и удерживающих усилий, действующих на склон. Коэффициент устойчивости в этом случае может быть определен как отношение удерживающих моментов к сдвигающим.

Стоит отметить, что определение коэффициента устойчивости в первом и во втором случае различно и использование первой предельной схемы с точки зрения механики более обосновано. Однако на практике оба определения коэффициента устойчивости дают близкие результаты.

Наша организация предлагает комплексный подход с целью оценки устойчивости склонов и откосов, а также разработке мероприятий по предупреждению развития и предотвращению активизации оползневого процесса. А также разработку документации для устройства инженерной защиты от оползней.

Более полную информацию по разработке геотехнического проекта инженерной защиты от оползней, по выполнению геотехнических расчетов вы можете получить позвонив нам по телефону + 7 (499) 350-23-58, или оставив заявку по форме или по электронной почте.

© 1999-2021 Научно-проектное конструкторское бюро «СтройПроект»

Ландшафтная архитектура и зеленое строительство | Totalarch

Вы здесь

Строительство плотин

Устройство водоема связано со строительством ряда гидротехнических сооружений, объединяемых общими условиями совместной работы и местоположением и называемых гидроузлом. Так, при строительстве водоема с целью благоустройства территории основными сооружениями гидроузла можно назвать собственно водоем, плотину, при необходимости дамбы, водосбросное сооружение и водоспуск (водовыпуск). Основную роль играет плотина, обеспечивающая регулирование стока (аккумуляцию воды в водоеме). Для того чтобы правильно запроектировать и построить плотину, необходимо предварительно провести ряд инженерных изысканий, результаты которых уточнят место расположения плотины, надежность сопряжения плотины с дном и берегами водотока, возможные потери на фильтрацию, приток воды поверхностного и грунтового стока и др.

С этой целью проводят следующие виды инженерных изысканий: топографические, геологические, гидрологические, гидрогеологические, завершающиеся камеральными работами и лабораторными анализами собранных в полевых условиях материалов (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Графические материалы изысканий (по И.М. Шармановскому): а — водосборная площадь; б — план проектируемого водоема; в — геологический профиль по створу плотины; г — литологическая колонка буровой скважины N°1; д — условные обозначения грунтов; е — компрессионная кривая

Створом плотины называется предполагаемое место расположения плотины на водотоке. Наиболее желательным местом расположения створа является то место, в котором горизонтали поверхности земли близко подходят друг к другу, берега крутые, а выше по течению горизонтали «раздвигаются», образуя расширение значительного объема. Это место и будет являться наиболее удобным для строительства плотины исходя из соображений топографии. Если просмотреть весь водоток (а речь идет, в первую очередь, о водоемах на местном стоке), то станет ясно, что удобных мест имеется не одно, а несколько. Поэтому приходится решать вопрос с привлечением других материалов изысканий.

На основе топографических изысканий определяют объем чаши водоема при разных уровнях воды.

Определенную конкретизацию могут внести материалы геологических изысканий, показывающих, в каком створе грунты более прочные, более надежные, обладающие слабыми фильтрационными свойствами. Место расположения таких фунтов и определит предпочтительный створ будущей плотины. Изменяя место расположения створа, необходимо считаться с тем, что при движении вверх по водотоку одновременно изменяется (уменьшается) площадь бассейна (водосборной площади), а следовательно, и объем годового поверхностного стока.

В результате гидрологических изысканий определяют площадь водосбора и различные характеристики стока и, в первую очередь, объем годового стока. При этом могут возникнуть различные соотношения между потенциальным объемом чаши водоема и объемом годового стока, которые помогут выбрать оптимальный створ, тип регулирования стока, а при большом объеме стока — решить вопрос о создании не одного, а целого каскада водоемов, расположенных на одном и том же водотоке.

Результаты гидрогеологических изысканий позволяют выявить наличие водоносных горизонтов, их расположение и величину подземного стока, определяющую возможное подземное питание водоема.

По результатам всех этих изысканий и лабораторных исследований выбирается окончательное расположение одного или нескольких гидроузлов. В последнем случае необходимо считаться с тем, что экономическая эффективность создания отдельных гидроузлов каскада будет различной и предпочтение следует отдать наиболее эффективному, если его объем и площадь акватории будут отвечать заданным требованиям.

Основным сооружением гидроузла является плотина. Плотины классифицируются по отношению к пропуску стока, основным используемым материалам, особенностям конструкции, способу возведения и по другим признакам.

По отношению к пропуску стока плотины подразделяют на глухие, водосливные и фильтрующие (наподобие бобровых деревянно-веточных плотин).

По основным используемым материалам плотины могут быть грунтовые (однородные и неоднородные), каменные, каменно-набросные, габионные, каменно-земляные, намывные, из армированного грунта, деревянные, ряжевые, бетонные, железобетонные и др.

По особенностям конструкции плотины из бетона и железобетона можно подразделить на гравитационные, контрфорсные, арочные и др.

По способу возведения земляные плотины можно подразделить на насыпные с уплотнением, намывные, взрывонабросные и др. ***

***В данной статье рассматриваются земляные насыпные глухие плотины IV класса, которые наиболее часто применяются на объектах ландшафтной архитектуры (СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов»).

Земляные насыпные плотины по конструкции тела и плотинные водоемы по уровням воды характеризуются следующими основными терминами и показателями: тело плотины, гребень плотины, высота плотины, ширины плотины понизу, ширина противофильтрационной призмы понизу, верховой (мокрый) откос, низовой (сухой) откос; нормальный подпорный уровень (НПУ), форсированный подпорный уровень (ФПУ), уровень мертвого объема (УМО) (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Виды земляных насыпных плотин: а — однородная; б, в — неоднородные; г — с экраном из негрунтовых материалов; д — с фунтовым ядром (вертикальным или наклонным); е — с негрунтовой диафрагмой; ж — с грунтовым экраном; з — продольный разрез плотины; 1 — крепление откосов; 2 — тело плотины; 3 — кривая депрессии; 4 — дренаж; 5 — верховая грунтовая противофильтрационная призма; 6 — низовая призма; 7 — переходный слой фунта; 8 — центральная фунтовая противофильтрационная призма; 9 — зуб; 10 — экран из негрунтовых материалов; 11 — верховая призма; 12 — грунтовое ядро; 13 — инъекционная (цементационная) висячая завеса; 14 — противофильтрационная диафрагма; 15— шпунт или стенка; 16 — фунтовый экран; 17 — гребень; НПУ — нормальный подпорный уровень; УНБ — уровень воды в нижнем бьефе; h —высота плотины; b — ширина плотины понизу; b um — ширина противофильтрационной призмы понизу; b up — ширина плотины по гребню; m h — коэффициент верхового откоса; m t — коэффициент низового откоса; L пл — длина плотины по гребню

Земляные плотины классифицируются по конструкции поперечного профиля, противофильтрационных устройств и способу возведения.

По конструкции поперечного профиля земляные плотины подразделяются на следующие типы: из однородного грунта, из неоднородного грунта, с экраном из негрунтовых материалов, с экраном из грунта, с ядром, с диафрагмой (стенкой, шпунтом).

По конструкции противофильтрационных устройств в основании земляные плотины подразделяются на следующие типы: с понуром, с зубом, с инъекционной завесой, с диафрагмой (стенкой, шпунтом).

По способу возведения земляные плотины подразделяются на следующие типы: с механическим уплотнением грунта; без механического уплотнения грунта (с отсыпкой пионерным способом насухо или с отсыпкой в воду).

При возведении плотин следует руководствоваться следующими соображениями. Земляные плотины, дамбы, противофильтрационные устройства напорных сооружений в виде экранов, ядер и понуров можно возводить отсыпкой грунта как в сухих условиях, так и в воду.

При устройстве противофильтрационных устройств наиболее пригодны глинистые грунты с коэффициентом фильтрации K p > 0,05. Допускается применять также искусственную грунтовую смесь, содержащую глинистые, песчаные, дресвяные и крупнообломочные грунты. Состав смеси должен быть проверен в производственных условиях или на опытных отсыпках.

Крутизну откосов плотин и дамб при проектировании и строительстве определяют исходя из физико-механических характеристик грунтов; действующих на откосы сил (собственной массы, влияния воды, сейсмических, динамических, внешних нагрузок на гребне и откосах и др.); высоты плотины; производства работ и условий эксплуатации.

Ориентировочные значения заложений откосов (коэффициента заложения откоса m) земляных насыпей плотин из глинистых и песчаных грунтов при наличии в основании грунтов с прочностью, сопоставимой или больше, чем в теле плотины, можно принять по табл. 6.1.

Для более точного определения коэффициентов заложения устойчивых откосов можно воспользоваться графиком, составленным для различных грунтов. Откосы грунтовых плотин могут иметь переменное заложение, что экономит объем грунта, используемого при возведении плотины. При этом коэффициент заложения т уменьшается в части, примыкающей к гребню плотины, и увеличивается при приближении к основанию.

На откосах средних и высоких плотин рекомендуется устраивать бермы, которые увеличивают устойчивость откосов, облегчают поверхностное водоотведение, и улучшают производственные и эксплуатационные условия. На верховом откосе бермы служат упором крепления и облегчают условия осмотра и ремонта. На низовом откосе бермы используют для служебного проезда, предотвращения размыва водами поверхностного стока (с устройством кюветов или лотков), устройства сооружений для контроля за кривой депрессии и управления задвижкой донного водоспуска. Бермы обычно располагают через 10. 15 м по высоте при ширине 3 м (для проезда) и не менее 1. 2 м, если проезд не предусмотрен.

Гребень плотины при минимальной ширине 4,5 м должен возвышаться как над нормальным подпорным уровнем (НПУ), так и над форсированным подпорным уровнем (ФПУ). Превышение отметки гребня плотины над отметкой уровня воды определяют для двух расчетных случаев: над отметкой НПУ и над отметкой ФПУ расчетной вероятности превышения по формуле

где h н — высота наката на откос ветровой волны, м; ∆h — высота ветрового нагона волны, м; а — запас по высоте плотины, равный или больше 0,5 м.

Высоту наката ветровой волны на откос hн определяют по специальным методикам, изложенным в справочниках проектировщика гидротехнических сооружений.

Высоту ветрового нагона ∆h ориентировочно можно определить по формуле

где w — скорость ветра расчетной вероятности превышения на высоте 10 м над уровнем воды, м/с; D — протяженность охваченной ветром акватории, м; g — ускорение силы тяжести, м/с2; Н — расчетная глубина, м; α — угол между продольной осью водоема и направлением ветра.

Одним из важнейших элементов насыпной земляной плотины является дренаж тела плотины, который проектируется и стоится для отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины; предотвращения выклинивания фильтрационного потока на низовой (сухой) откос; снижения уровня кривой депрессии для повышения устойчивости низового откоса; повышения устойчивости верхового откоса при быстром понижении уровня; отвода воды профильтровавшейся через экран, тело и ядро плотины.

Рис. 6.3. Конструкции основных видов дренажа плотин в русле (а — дренажный банкет; б — наслонный дренаж) и на берегу (в — трубчатый дренаж; г — горизонтальный дренаж; д. ж — комбинированные виды дренажа): 1 — кривая депрессии; 2 — обратный фильтр; 3 — дренажный банкет; 4 — наслонный дренаж; 5 — труба (дрена); 6 — отводящий канал; 7 — отводящая труба; 8 — дренажная лента; d f — максимальная глубина промерзания; m t — коэффициент низового откоса; b b — ширина банкета поверху; n s — превышение верха призмы над уровнем воды в нижнем бьефе

Рис. 6.4. Типы креплений верхового откоса плотин (размеры указаны в м): а — одиночное мощение; б — двойное мощение; в — наброской камня в плетневые клетки; г — хворостяной выстилкой; д — железобетонными плитами; 1 — слой камня толщиной 0,3. 0,5 м; 2 — песчано-гравийная подготовка толщиной 0,1 м; 3 — колья диаметром 5. 8 см, длиной 1,5 м; слой гравия или щебня толщиной 0,10. 0,15 м

Дренажные устройства в зоне низового (сухого) откоса могут иметь различную конструкцию (рис. 6.3). Выбор конструкции, в первую очередь, зависит от типа плотины, ее размеров и используемых грунтов. Дренажный банкет обычно устраивают на русловых участках плотины. Превышение гребня дренажного банкета над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе определяют расчетом, но оно должно быть не менее 0,5 м. Ширину поверху принимают из условий производства работ и конструкции, но она не должна быть менее 1 м. Наслонный дренаж устраивают на участках плотины, перекрывающих затопляемую пойму. Толщину наслонного дренажа с обратным фильтром определяют из условий производства работ, но она должна быть не меньше величины t, определяемой по формуле

где d s, 85 — диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85 % от массы всего дренажного слоя, м; t f — толщина обратного фильтра, м.

Превышение гребня наслонного дренажа h s над максимальным уровнем воды в нижнем бьефе принимают, как и для дренажного банкета.

Трубчатый дренаж из бетонных или асбестоцементных труб (перфорированных) с заделанными и незаделанными стыками обсыпают обратным фильтром. Диаметр дренажных труб определяют гидравлическим расчетом, но принимают не менее 200 мм. Толщина каждого слоя обратного фильтра должна быть не менее d s, 85 . но не менее 200 мм. Верховой (рис. 6.4) и низовой откосы крепятся различными способами.

Источник: Строительство и эксплуатация объектов ландшафтной архитектуры. Теодоронский В.С.

Контекстная справка

Воздействие воды

В разрез откоса можно задавать грунтовую воду при помощи одной из пяти опций:

1) Уровень грунтовых вод

Уровень грунтовых вод задаём в виде полигона. Его можно любым образом изгибать, он может полностью находиться ниже поверхности или выходить над поверхность рельефа.

Влияние воды учитываем как поровое давление, действующее в грунте и понижающее сопротивление сдвигу. Поровое давление рассчитываем как гидростатическое давление, т.е. удельный вес воды умножаем на уменьшенную высоту уровня воды:

удельный вес воды

уменьшенная высота уровня воды

вертикальное расстояние точки, в которой рассчитываем поровое давление до точки на зеркале

наклон зеркала грунтовых вод

В расчет всегда входит равнодействующая порового давления в определенном отсеке блока:

поровое давление в точке

Ниже уровня грунтовых вод анализ учитывает удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat и подъёмную силу воды; выше уровня грунтовых вод — заданное значение удельного веса грунта γ . Силы сдвига на поверхности скольжения рассчитываются по формуле:

сила сдвига на участке поверхности скольжения

нормальная сила на участке поверхности скольжения

равнодействующая порового давления на участке поверхности скольжения

угол внутреннего трения грунта

длина участка поверхности скольжения

В случае состояния полного напряжения (задаём в диалоговом окне «Грунты») используются полные параметры, а поровое давление всегда принимается равным 0.

2) Уровень грунтовых вод с воздействием абсорбции

Уровень абсорбции можно задать над заданным уровнем грунтовых вод. В пространстве между уровнем воды и уровнем абсорбции принимается отрицательное значение порового давления u . Абсорбция увеличивается как отрицательное гидростатическое давление в направлении от уровня грунтовых вод до уровня абсорбции.

3) Резкое падение УГВ

Над заданным уровнем воды можно задать исходный уровень воды, моделирующий состояние непосредственно перед резким падением УГВ.

Резкое падение воды

Сперва рассчитываем исходное поровое давление u :

высота от исходного уровня воды к точке P

удельный вес воды

Высота h — это расстояние от точки P (где определено значение порового давления) до исходного уровня воды — это в случае, когда исходный уровень воды находится ниже поверхности земли. Если исходный уровень воды расположен выше поверхности земли высота h принимается от точки P до уровня земли (см. разрез 1 на рис.). Когда оба уровня воды находятся выше поверхности земли, то высота h — будет расстоянием от точки P до пониженного уровня воды (см. разрез 2 на рис.).

Вторым шагом будет определение убыли порового давления в области между исходным и пониженным УГВ:

высота между исходным и пониженным уровнем воды

удельный вес воды

Как и в предыдущем расчёте давления, здесь тоже могут иметь место три опции положения уровней воды, т.е. три способа как получить высоту h_d . Когда оба уровня расположены под поверхностью земли, то h_d — это расстояние между исходным и пониженным уровнем воды. Когда исходный уровень воды находится над поверхностью земли, то высота h_d пониженного уровня воды принимается только до уровня поверхности земли (см. разрез 1 на рис.). В последнем случае оба уровня могут находиться над поверхностью земли, т.е. разность уровней h_d равна нулю (см. разрез 2 на рис.).

В третьем шагу определяем конечное значение порового давления u . Убыль давления Δu переумножаем на коэффициент редукции исходного порового давления X , который должен задаваться для каждого отдельного грунта в диалоговом окне в рамке «Грунты». В расчёт войдёт значение коэффициента X грунта на участке определения порового давления, т.е. в месте точки P (а не грунта, расположенного в области между исходным и пониженным УГВ). У водоприницаемого грунта равен X = 1, у практически неводопроницаемого X = 0. В расчёт принимается конечное значение порового давления:

исходное поровое давление

поправочный коэффициент исходного порового давления

убыль порового давления

4) Коэффициенты порового давления R_u

Коэффициент порового давления R_u показывает соотношение между поровым давлением и гидростатическим давлением в массиве грунта.

В области, где R_u имеет положительное значение, учитывается заданный удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat , в обратном случае — удельный вес грунта γ .

Значения R_u задаём с помощью изолиний, соединяющих точки с одинаковым значениенм. Значения между изолиниямии подвергаем линейной интерполяции. Поровое давление рассчитываем как геостатическое напряжение, уменьшенное коэффициентом R_u :

коэффициент порового давления

высота i-ого слоя грунта

удельный вес i-ого слоя грунта

5) Значения порового давления

Грунтовые воды можно описать непосредственно с помощью значений порового давления в сечении массива грунта.

В области, где u имеет положительное значение, учитывается введенный удельный вес водонасыщенного грунта γ_sat , в обратном случае — удельный вес грунта γ .

Значения порового давления задаём с помощью изолиний, соединяющих точки с одинаковым значением порового давления. Значения между изолиниямии подвергаем линейной интерполяции. В расчёт вводим значения порового давления, считанные в конкретной точке сечения рельефа.