ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Долговечность и прочность каменнонабросной или каменно-земляной плотины зависят не только от свойств составляющих ее материалов, но и от статической устойчивости откосов, степени деформируемости плотины в процессе консолидации и суффозионной прочности грунтов ядра или экрана. Поэтому основными для плотин данного типа являются следующие расчеты:

• расчет статической устойчивости откосов, экрана и защитного слоя на обрушение (оползание);
• расчет осадок и горизонтальных смещений;
• расчет общей и казуальной фильтрационной прочности;
• расчет переходных зон.

Под термином «устойчивость откоса» подразумевается устойчивость верховой или низовой призмы плотины шли части ее на оползание в результате нарушения равновесия внешних и внутренних сил, которые слагаются из собственного веса, гидростатического и гидродинамического давлений воды и сейсмических сил (для плотины, возводимой в сейсмическом районе).

Воздействие наносов в расчетах устойчивости не учитывается, так как оно способствует ее увеличению; воздействие волны и льда учитывается в расчетах прочности экранов из негрунтовых материалов и креплений откосов.

Поскольку оптимальные откосы плотины, определяющие ее объем, устанавливаются в результате расчета устойчивости, особое значение приобретает правильный выбор метода расчета и обоснованность исходных данных из для вычисления расчетных усилий. Поэтому должны быть тщательно изучены и правильно выбраны:

• расчетные характеристики как материалов, укладываемых в тело плотины, так и грунтов основания;
• коэффициенты запаса, гарантирующие надежность плотины;
• методы расчета, наиболее полно учитывающие взаимодействие внутренних и внешних сил;
• характерные расчетные сечения плотины;
• расчетные случаи, представляющие возможные наиболее неблагоприятные в различных условиях сочетания силовых воздействий.

К расчетным характеристикам материалов плотины (наброски и грунтов) относятся:

• гранулометрический состав;
• объемный вес в естественном и в уплотненном до проектной величины состояниях;
• пористость и коэффициент пористости в естественном и уплотненном в разной степени состояниях;
• границы пластичности глинистых грунтов (пределы текучести и раскатывания), влажность и максимальная молекулярная влагоемкость;
• коэффициент уплотнения;
• угол внутреннего трения;
• удельное сцепление;
• реологические показатели;
• коэффициент фильтрации
;
• показатели фильтрационной прочности грунтов: критические градиенты выпора, суффозии и контактного размыва.

Указанные характеристики устанавливаются на основании опытов в лабораторных и полевых условиях. Установление характеристик грунтовых материалов в теле плотины по аналогам допустимо лишь для невысоких плотин и для плотин средней высоты на ранних стадиях проектирования.

Поскольку каменнонабросная или каменно-земляная плотина по структуре представляет сыпучее тело, взаимодействие его частиц при взаимных их перемещениях основано на теории Кулона, учитывающей возникновение сил трения и сил сцепления.

В каменной наброске, как известно, нет сил сцепления, но в ней возникают силы зацепления вследствие заклинивания каменных контактов. Силы зацепления увеличивают коэффициент трения наброски, и учет их может привести к сокращению профиля -плотины. Однако определение сил зацепления требует постановки исследований, во избежание которых часто угол трения наброски принимают без учета зацепления.

Проведенные во ВНИИ ВОДГЕО исследования показали, что при малых значениях вертикальных напряжений угол зацепления может увеличить угол трения в контактах наброски до 30%, вследствие чего полный угол внутреннего трения может достигнуть 55—60°. Поскольку для высоких и сверхвысоких плотин указанная поправка может дать существенную экономию, при их проектировании необходимо проведение исследовательских работ, устанавливающих значение угла внутреннего трения наброски с учетом угла зацепления.

Рассмотрение условий устойчивости откосов набросных плотин приводит к выводу, что они идентичны условиям земляных насыпных плотин, поэтому могут быть рассчитаны теми же методами. Согласно указаниям СНиП П-53-73 расчеты устойчивости откосов рекомендуется вести по методам, удовлетворяющим условиям равновесия призмы обрушения в предельном состоянии.

В расчетной практике пока отсутствуют точные методы определения устойчивости откосов для любой формы поверхности скольжения. Существующие методы рассматривают нарушение равновесия либо по круговой поверхности, либо по ломаной, состоящей из нескольких наклонных плоскостей сдвига.

Гипотеза о криволинейной (круговой) поверхности скольжения основана на изучении оползневых явлений, показавших, что форма поверхности обрушения земляных масс близка к цилиндрической, откуда теория расчета получила название «метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения».

Оползание откоса по плоской (ломаной) поверхности наблюдается чаще всего при наличии в пределах откоса грунтов с сильно отличающимися физико-механическими свойствами (сдвиг по контакту), а также при наличии в основании прослойки слабого грунта. Этот метод получил название «метод плоских поверхностей сдвига».

Существует метод, предложенный Среднеазиатским отделением Гидропроекта для расчета Нурекской и Чарвакской плотин, получивший название «метод Саогидропроекта» (метод предложен и разработан инженерами С. Г. Хачатуровым и К. Н. Ни), предусматривающий скольжение по комбинированной поверхности: в пределах ядра по круговой, в пределах боковой призмы — по прямой.

Имеется также метод, рекомендованный Ленинградским политехническим институтом, — метод ЛПИ, предназначенный для расчета устойчивости откосов плотин с ядром из водонасыщенных грунтов с поровым давлением.

Из перечисленных методов расчета наибольшее распространение получил метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, так как его можно применять почти во всех случаях, встречающихся в практике. При проверке устойчивости высоких плотин с ядром расчет ведется несколькими методами.

Расчеты устойчивости откосов осложняются при неоднородном составе материала в элементах плотин. Указанное вынуждает принять осредненные или иногда «огибающие» значения весовых и сдвиговых показателей.

По принципу «огибающего» значения решается также выбор расчетного сечения, принимая его в наиболее высокой части плотины (в русле).

Учет переменности нагрузки от гидростатического и гидродинамического давлений ведется путем расчета плотины при следующих уровнях бьефов:

• в верхнем бьефе нормальный подпорный уровень, в нижнем бьефе — минимальный;
• быстрое опорожнение водохранилища от НПУ и ФПУ до наинизшего уровня;
• промежуточный низкий уровень в водохранилище (но не менее 1/5 высоты плотины);
• быстрое наполнение водохранилища в предпусковой период или повторное наполнение после его опорожнения.

Практика расчетов показала, что наиболее опасными для устойчивости верхового откоса являются случаи промежуточного стояния воды перед плотиной, а также быстрое опорожнение водохранилища. Отечественный и зарубежный опыт проектирования высоких плотин показывает, что наименьший коэффициент запаса устойчивости верхового откоса получается при стоянии воды в верхнем бьефе примерно в пределах 1/4—1/2 высоты подпора, а также при быстром опорожнении. Поэтому при расчетах верхового откоса проверку устойчивости следует начинать с этих случаев.

Для низового откоса наихудшим является наивысшее стояние воды в верхнем бьефе плотины (ФПУ и НПУ) при максимальном подпорном уровне в нижнем бьефе; следовательно, расчет низового откоса следует начинать со случая катастрофического или форсированного уровня воды в верхнем бьефе. В расчете как низового, так и верхового откосов, кроме указанных сочетаний уровней, должны быть рассмотрены и другие возможные сочетания, представляющие для данного типа и конструкции плотины опасность (например, нарушение работы дренажа в основании или в низовой призме, если они имеются, и др.). Опасным для обоих откосов является период незавершенной консолидации, если имеется поровое давление в грунте ядра.

Расчет устойчивости откоса заключается в том, чтобы последовательными попытками определить наклон его грани, при котором минимальный коэффициент запаса устойчивости этап получается равным нормативному, т. е. допускаемому по СНиП П-53-73 (или назначенному по специальным условиям проектирования).

Р.А. Айрапетян, Проектирование каменно-земляных и каменнонабросных плотин, М., Энергия, 1975