РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

Натурные измерения напряжений в теле однородных плотин показывают, что значения замеренных вертикальных давлений расходятся со значениями давления от собственного веса. Объясняется это главным образом тем, что в насыпи из крупнообломочного материала происходит перераспределение напряжений вследствие способности зернистой среды к неравномерной передаче усилий и возникновения в ней некоторого «арочного эффекта». Таким образом, для крупнообломочных грунтов закономерности механики сплошной среды в известной мере нарушаются и для решения задачи должны быть применены закономерности механики зернистой среды.

Теоретические исследования Оде, Тольке, Галлери, Самшио, Троллопе, а также Щербины, Бугрова и других, основанные на ряде упрощающих предпосылок, привели к выводам, что распределение напряжений в теле однородной плотины происходит по криволинейному закону. Эти выводы подтверждаются натурными данными по плотинам Мил-Крик, Аркабутла Мидскогсфорзен, Врла и др., полученными непосредственными измерениями напряжений электроакустическими датчиками давления.

Безразмерные величины напряжений получаются в результате рассмотрения напряженного состояния моделей из низкомодульных оптически активных материалов от действия объемных сил. Модели для рассмотрения воздействия гидростатического давления изготовляются из жестких оптически активных материалов с использованием метода замораживания деформаций.

Метод фотоупругости может быть широко использован при решении сложных задач напряженного состояния тела плотины с ядром в продольном и поперечном направлениях, т. е. в любой точке поперечного профиля плотины. Методом фотоупругости определены, например, напряжения в Нурекской плотине.

Методом сеток могут быть решены задачи теории упругости при переменных значениях модуля деформации и коэффициента Пуассона для любых граничных условий. Этим методом определялось напряженно-деформированное состояние тела Нурекской плотины с учетом влияния крутизны бортов ущелья.

Наибольшее признание получил метод конечных элементов, применяемый для решения на ЭВМ плоской и пространственной задач теории упругости для конструкций сложной конфигурации с разнородными физическими характеристиками.

Согласно этому методу тело плотины (поперечное сечение) рассматривается как гибкая среда, состоящая из системы пластинчатых элементов треугольной формы, соединенных в узлах условием неразрывности деформаций.

Методом конечных элементов можно решить упруго-пластические задачи напряженно-деформированного состояния плотины с учетом разномодульности грунтов в ее элементах, колебаний уровня воды в бьефе, а также этапности возведения плотины и наполнения водохранилища. Расчетами по этому методу можно определить также горизонтальные и вертикальные перемещения плотины и коэффициенты запаса статической устойчивости для всех участков профиля.

Методом конечных элементов рассчитывались высокие отечественные плотины (Нурекская, Жинвальская и др.).

Наряду с изложенными методами НИС Гидропроекта разработана методика расчета напряженного состояния тела плотины с использованием приема, предложенного акад. Ю. Н. Работновым.

Методика расчета основана на решении упруго мгновенной задачи методом конечных разностей при нелинейных связях деформаций и напряжений с учетом собственного веса и гидростатического давления воды. Этим методом была рассчитана строящаяся в Советском Союзе каменно-земляная плотина с ядром высотою 275 м. Результаты расчета показали удовлетворительную сходимость с результатами, полученными при других методах расчета.

За рубежом (США) методом конечных элементов проверялось напряженно-деформированное состояние каменно-земляной плотины Оровилл высотой 224 м. В результате исследований, которые проводились в Калифорнийском университете в 1969 г., было выявлено, что расчетные значения напряжений в плотине хорошо согласуются с наблюденным характером передачи нагрузки (от ядра на переходные зоны) и с прочностными показателями грунтов, однако расходятся с замеренными в натуре напряжениями, что объясняется некачественными замерами контрольно-измерительной аппаратуры.

Расчеты напряженно-деформированного состояния плотины производились с учетом постепенного ее возведения и нелинейности связей напряжений с деформациями, переменности модуля деформаций и коэффициента Пуассона.

Расчетом получено, что напряжение в ядре составляет примерно 2/3 напряжения в низовой переходной зоне и упорной призме (на том же уровне плотины), что указывает па передачу нагрузки от сравнительно пластичного ядра на более «жесткую» переходную зону и упорные призмы, подтверждая тем самым явление «зависания» ядра на переходных зонах.

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