автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Научные основы расчетного обоснования, проектирования и строительства переливных грунтовых плотин

Научные основы расчетного обоснования, проектирования и строительства переливных грунтовых плотин

05.23.07 - гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства

Научный руководитель-заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Румянцев И.С.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Правдивей Ю.П. Кандидат технических наук, доцент Фонсов Е.Б.

Ведущая организация- Всероссийский научно-исследовательский

институт гидротехники и мелиорации им А.Н. Костякова

Защита состоится " J.6 " ноября 1998 года в 15" часов на заседании диссертационного совета К120.16.01 Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд..^01/1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП. Автореферат разослан " ОКТЯБРЯ 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Введение

Актуальность проблемы. Министерством водного хозяйства Королевства Непал и его энергетической компанией в настоящее время осуществляется возведение значительного количества речных гидроузлов с гидроэлектростанциями малой и средней мощности ( от 1 до 50 Мвт) и подпорными сооружениями, представляющими собой грунтовые плотины. До середины 1992 года в Непапе устному сектору не разрешалось строительство гидроузлов с гидроэлектростанцией мощностью более 100кВт. Только благодаря более открытой политике Правительства Королевства Непал, в конце 1992 года к строительству гидроузлов начали допускаться частные лица. В результате такой политики Правительства сейчас в Непале частными компаниями строится несколько гидроузлов с гидроэлектростанциями мощностью от 10 до 40 Мвт. Правительство дало этим компаниям гарантию на возмещение их затрат на строительство и возврат денег 8 валюте.

Королевство Непал весьма богато водными ресурсами. На его территорию выпадает большое количество осадков (до 2600 мм в год);его речная сеть имеет много непересыхающих рек, текущих с Гималайских гор. Все это способствует формированию здесь весьма благоприятных условий для строительства речных гидроузлов. В общей сложности по территории Непала протекает более 6 тысяч рек. Наиболее крупными из них являются: Сун-коси, Гандаки, Карнали, Марсянгди, Мачакали и т.д.

Главной проблемой реконструируемых и строящихся гидроузлов Непала являются сокрушительные многоводные летние паводки формирующиеся в период с июня по сентябрь за счет муссонов. Для пропуска паводковых вод на гидроузлах Королевства приходиться возводить новые резервные или эксплуатировать уже существующие стационарные водосбросы , представляющие собой открытые и закрытые сооружения, стоимость которых за счет многих объективных причин часто

превосходит стоимость гидроэлектростанции вместе с водоподпорной плотиной . Последняя в Непале традиционно возводится из местных дешевых строительных материалов. В связи с отмеченным, а так же в связи с: отсутствием развитой сети автомобильных асфальтированных дорог ; дефицитом искусственных строительных материалов - цемента, металла арматуры, и др.; нехваткой квалифицированной рабочей силы , гидротехника этой страны нуждается в разработке новьлх технических решений водосбросных сооружений , в которькх рационально сочетались бы требования . наиболее, полног о использования в первую очередь местных грунтовых материалов.

Помимо этого в мировой гидротехнике сегодня доминирует тенденция обращать особое внимание на проблемы охраны окружающей, среды. Хорошо известно, что отрицательные последствия строительства речных гидроузлов особенно сильно проявляются на равнинных участках рек; пр>и этом подтапливаются и затапливаются обширные территории, ранее находившиеся в сельскохозяйственном использовании, происходит интенсивный подъем грунтовых вод, изменяется климат района строительства, существенно трансформируется видовой состав флоры, и фауны, и т.п. На горно-предгорны'х участках рек отмеченные последствия менее значительны, а на горных - практически отсутствуют. В связи со всем этим строительство малых и средних гидроузлов на горных рекал Гималаев является весьма предпочтительным и перспективным. Однако и на них необходимо всемерно стремиться к сокращению ущерба, наносимого окружающей среде.

В наиболее полной мере этим требованиям отвечает принципиально новый тип водосбросного сооружения -грунтовая водосливная плотина. Идею такого подхода нельзя называть совсем новой. В мировой и российской гидротехнике уже давно существуют небольшие грунтовые водосливные плотины , омываемые потоком поверхности которых защищены каменной наброской , армосетками , габионами . монолитным или сборным железобетоном. Однако такие сооруженш

являются единичными , отсутствуют достаточно обоснованные пределы применимости того или иного типа защитного крепления , ограничена высота сооружений , в процессе эксплуатации грунтовых водосливных плотин нередки аварийные ситуации , известны случаи частичного или полного разрушения этих сооружений . Задания на конструктивные и технологические разработки пропуска больших масс воды и льда поверх грунтовых сооружений уже много лет входят составной частью в важнейшую научно-техническую проблему гидроэнергетики*

Большой вклад в разработку технических решений таких плотин внесли российские ученые - Н.П. Пузыревский, С.В. Избаш, П.И. Гордиенко, В.М Лятхер, Ю.П.

Правдивей, И.С. Румянцев, а также Д.Р. Пауледж из США. Тело такого сооружения может быть возведено практически нз любого местного грунта, а гребень и низовой откос защищаются от размыва специальным креплением из бетона, камня или армирующих сеток. Анализ современного опыта проектирования и строительства таких сооружений показал , что их технико-экономические характеристики существенно превосходят аналогичные показатели традиционных водосбросов Внедрение переливных грунтовых плотин в практику гидротехнического строительства Королевства Непал позволило бы получить его водному хозяйству весьма значительный экономический и природоохранный эффект.

В последнее десятилетие а мировой гидротехнике для крепления низовых откосов водосливных плотин начали широко применять укатанные бетоны. В России, США, Китае, Франции, Испании и др. странах наблюдается их широкое внедрение в практику гидротехнического строительства. По экономичности такого типа крепления во многом превосходят крепления традиционных конструкций. Технология возведения низового откоса с креплением из укатанного бетона принципиально не отличается от технологии возведения укатываемого грунтового откоса. Простота конструкции и высокая устойчивость креплений

из укатанного бетона позволит пропускать через сооружения значительно большие расходы, а также уменьшить площадь поперечного сечения тела плотины.

Равным образом широкое применение находят крепления низового откоса водосливной грунтовой плотины с использованием армирующих сеток. Использование таких креплений позволяет решить одновременно несколько задач: например, сразу же в несколько раз увеличивается пропускная способность водосливной грунтовой плотины, резко снижаются затраты на возведение плотины , так как при этом используются местные строительные материалы и создаются благоприятные условия гашения избыточной энергии потока в нижнем бьефе, благодаря поверхностному режиму сопряжение бьефов.

Цель работы заключается в том, чтобы на осноЕ1е результатов модельных гидравлических исследований осуществить дальнейшее совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования креплений низовых откосов из укатанного бетона или с армирующими сетками, выявтъ основные закономерности процесса сопряжения бьефов за переливными грунтовыми плотинами.

Для достижения намеченной цели в рамках настоящей аттестационной работы было предусмотрено решить следующие задачи:

- исследовать гидравлические условия работы

низового откоса

переливной грунтовой плотины, закрепленного каменной наброской с целью повышения его устойчивости и сохранения поверхностного режима в нижнем бьефе во всем диапазоне пропуска паводка;

- экспериментально рассмотреть возможность применения укатанного бетона в качестве крепления водосливной части переливной грунтовой плотины;

- экспериментально рассмотреть возможность применения армосетки в качестве крепления водосливной части переливной грунтовой плотины;

- разработать конструктивное решение концевой части подошвы водосливного откоса переливной грунтовой плотины.

При постановке и решении ряда поставленных задач автор диссертации получил ценные советы от доктора технических наук, профессора В.М. Дятхера, которому он считает своим долгом принести искреннюю благодарность.

Научная потопа и практическая ценность диссертации.

В результате проведения указанных выше исследований получены следующие научные результаты:

- подтверждена техническая и экономическая целесообразность строительства переливных грунтовых плотин (ПГП) при условии создания соответствующего крепления их низового откоса;

- получены привдипиально новые научные данные, подтверждающие эффективность и экономичность крепления низового откоса, выполненного из укатанного бетона;

получены новые данные, подтверждающие эффективность и экономичность крепления низового откоса с использованием армосеток;

уточнены соотношения конструкции носка и уровней воды для сохранения поверхностного режима в нижнем бьефе.

Апробация и практическая иечность полученных результатов.

Основные результаты проведенных в рамках настоящей работы исследований неоднократно докладывались на заседаниях кафедры гидротехнических сооружений МГУП, на научных конференциях и семинарах в МГУП и МГСУ ( 1992... 1998гг.).

Полученные в рамках работы результаты ориентированы на использование в практике проектирования и строительства переливных грунтовых плотин гидроузлов различного назначения на реках Королевства Непал. Внедрение полученных результатов в практику гидротехнического строительства Непала позволит не только повысить обоснованность и надежность работы таких сооружении, но и сократить их стоимость и сроки строительства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и. приложения. Текст диссертаци и изложен на 84 страницах машинописи, иллюстрирован 5 7 рисунками и 5 таблицами. Список использованных литературны« источников насчитывает 96 наименований, из них 16 зарубежных авторов. Приложение состоит из текста изложенного на 5 стр., и включая 1 рисунок.

Основное содержание работы

Первая глава диссертации посвящена анализу технической и научной литературы, посвященной рассмотрению особенностей пропуска паводковых расходов непосредственно через гребень и по низовому откосу тела грунтовых плотин.

В начале главы изложены сведения об особенностяк рек Непала, а также о проблемах пропуска паводковых расходов через водосбросы непальских речных гидроузлов.

Среднегодовой сток рек Непала составляет 200км3. В сочетании с уникальными особенностями горного рельефа (перепад отметок поверхности земли на территории Королевства - от 200м до 8848м) и природных условий такой сток создает исключительно высокий гидротехнический потенциал его водных ресурсов (83 млн. квт). Около 95% технического потенциала может быть успешно освоено, что позволило бы нарастить суммарную мощность гидроэлектростанций Непала до величины порядка 60 млн. квт. Для государства, прогнозируемая численность населения которого к 2000 году должна достигнуть 20 млн. человек, такой показатель является

достаточно высоким. На протяжении последних 10 лет годовой прирост энергопотребления составляет в Непале 2%; ожидается, что в текущем пятилетии он достигнет 5... 6%.

Определенно, что магистральным путем развития энергетики Непала является строительство гидроэлектростанций средней и большой мощности. К 2005 году их мощность достигнет 500 Мвт при выработке 2,2 млрд. квт/час.

Практика гидроэнергетического строительства в Непале показала, что экономически наиболее эффективно строить ГЭС, продолжительность возведения сооружений которых не превышает одного года. Выполненные проработки (В.М. Лятхер) показали, что эти ГЭС должны характеризоваться следующими параметрами: низконапорная фунтовая плотина из местных материалов, конструкция которой может допускать сброс паводковых расходов поверх ее тела; головной водозаборный узел; деривационный канал или трубопровод из современных синтетических материалов; здание ГЭС с соответствующими турбинами и генераторами.

В тексте главы подробно описана и проанализирована природная гидрографическая сеть Непала и характеристики его основных водных объектов. Показано, что последние могут быть подразделены на: многолетние реки, текущие из Гималаев; сезонные реки, текущие из гор Чурия на равнину Тераи.

Далее в рамках главы выполнен анализ основных типов и конструкции переливных фунтовых плотин, которые могли бы быть использованы в качестве основного подпорного сооружения на многих проектируемых непальских гидроузлах. Показано, что многолетний опыт эксплуатации подобных сооружений как в России, так и во многих странах мира привел гидротехников к выводу о необходимости устройства специальных защитных мероприятий на фебне и низовом откосе последних. Приводится современная классификация креплений переливных фунтовых плотин.

Большой вклад в разработку конструкций и методов расчетного обоснования креплений передивных грунтовых

плотин был внесен Н.П. Пузыревеким, C.B. Избашем, ,-Б.И. Студеничниковым, Н.Н. Беляшевс.кнм, П.И. Тордиенко, В М. Лятхерем, Ю.П. Правдивцем, И.С. Румянцевым и др. В тексте приводятся описания и чертежи многих плотин, научное обоснование, проектирование и .строительство которых было осуществлено под руководством, и при,участии перечисленных авторов. Венцомэволюции конструкций таких, сооружений явились переливные плотины Ю.П. Правдивца: их гребень и низовые откосы покрыты бетонными блоками и клиновидными плитами; в концевой части,низового откоса устраивается нрсок-уступ, обеспечивающий устойчивое сопряжение бьефрв в форме поверхностного режима. ; ,.,■ . •..-. -ч ..

Далее в главе рассмотрены, особенности конструкций и гидравлических условий работы пропуска сбросных расходов переливных каменно-набросных . плотин с . армирующими элементами. Эти плотины получили в.,последние годы широкое распространение в мировой практике гидротехнического строительства. Крепление их низовых откосов осуществляется с использованием армирующих- и , анкерующих элементов различных типов: стальных полос, пластмасс, сеток, габионов, прианкерованных к основному массиву, тела плотины. В тексте главы подробно описаны конструктивные особенности плотин гидроузлов Сетана (Тасмания), Орд и Кугонг (Австралия), Брайдл Драйфт (ЮАР), Афтербай (США), Эль Кахон (Гондурас) и др. Отмечаются достоинства и недостатки последних. Анализ показал, что последние имеют большие перспективы применения в условиях Непала.

Оценивая условия, фильтрации потока через тело переливных грунтовых плотин, мы отметили, что как правило нижней его границей является малопроницаемое скальное основание, а верхней - защитное каменное крепление. Приводятся типовые гидродинамические сетки ддя характерных конструкций рассматриваемых плотин, позволяющие оценить качественную и количественную картины движения фильтрационного потока в их теле.

Определенное внимание уделено в главе вопросам методологии оценки обшей к местной устойчивостей низового водосливного откоса, а также конструктивному оформлению крепления последнего.. . Показано, что типичными их недостатками являются;......... . .

- распластанность поперечного профиля плотин;

- , существование условий, при которых по поверхности низового откоса перемещается поверхностный гидравлический прыжок;

- наличие острой проблемы защиты отдельных участков низового. откоса от размывов в зоне гтрьгжка; .

- отсутствие единого вклада и сходности подходов к . разработке . конструкции, возведению и эксплуатации креплений низового откоса.

Впервые наиболее удачно, после Н.П. Пузыревского, отмеченные недостатки удалось устранить в конструкциях переливных плотин, предложенных в работах П.И. Гордиенко и Ю.П. Правдивца. Основными находками этих авторов были:

- сборное крепление низового откоса из клиновидных

плит специальной конструкции с дренажными отверстиями;

- шахматная схема укладки этих плит;

- носок-трамплин, возведенный из блоков особой формы.

Другим путем совершенствования конструкций переливных плотин явилось применение "укатанного бетона", т.е. бетона, изготавливаемого из смеси, содержащей небольшое количество цемента или другого вяжущего, укатываемой подобно грунту пневматическими виброкатками. В тексте главы подробно описаны, конструкции таких плотин, построенных на гидроузлах Браунд Кантри Клаб. и Скринт Крик (США). В конце главы.сформулированы уже приведенные выше (в общей характеристике работы) цель и основные задачи настоящего

аттестационного научного исследования, а также сделаны выводы, вытекающие из содержания ее текста.

Вторая глава посвящена методике лабораторных модельных исследований переливных грунтовых плотин. Выполненный в начальной ее части анализ позволил установить, что основным критерием моделирования физических процессов, имеющих место при переливе потока через грунтовую плотину, является условие Fr = idem, т.к. именно оно определяете инвариантность уравнений, описывающих последние.

Реализация условия Fr - idem позволила нам традиционным путем получить необходимые масштабы моделирования, т.е. масштабы скоростей и расходов. Учет сил трения вызвал необходимость использования в качестве второго критерия число Рейнольдса Re. При этом нами использовался традиционный "компромисс" , применявшийся многими исследователями, т.е.

Fr=idem * ... ............(1)

Re > Re ф J

Оценка адекватности подходов к моделированию позволила нам установить, что в промоделированных • таким образом потоках обеспечивается соответствие натуральным условиям коэффициента скорости (р , коэффициента Шези С, коэффициента гидравлического трения X , идентичность полей скоростей и давлений, режимов сопряжения бьефов.

Модель экспериментальной переливной плотины была нами выполнена в масштабе 1:40 в зеркальном гидравлическом лотке лаборатории водопропускных сооружений кафедры "Гидротехнические сооружения" МГУП (рис.1). Длина рабочей части модельной установки - 600см, ширина - 50см . Подача воды в лотке осуществлялась с; помощью трубопроводов (15) и (4), оборудованных задвижкой (1). При этом вода поступает в бак встречнонаправленно основному течению в лотке (10). Измерение расходов осуществляется мерным водосливом (3). Выравнивание поля скоростей достигается специальными решетками (5).

Местоположение модели переливной плотины (12) было установлено . с помощью проведения специальной серии методических опытов. Перед началом проведения основных исследований, вся установка была тщательно очищена , закреплена, промазана герметиками и оттарирована. Оценка погрешностей экспериментов показала, что относительная предельная ошибка при определении глубин в наших опытах составляла . 5Ь=1..2,...0,3%; относительная погрешность определения расхода была равна 6д=0,04...0,13%, а коэффициент, расхода 5т=3...3,5%. Коэффициент скорости в наших опытах мы определяли с относительной <■ предельной погрешностью 5%. ,

Основу модели переливной плотины составляла отсыпка из гравия с размером отдельностей от 1 до 10мм. Концевой носок-уступ был выполнен таким образом и имел такую ■ конструкцию, которая позволяла менять его форму и размеры непосредственно в процессе опытов. Конструкции моделей плотин ясны из схем, представленных на рис.2, 3 и 4. В концевой части лотка, непосредственно перед жалюзями, регулирующими наполнение последнего (рис. 1, позиция (8)), устанавливалась стенка (16), высота которой тщательно подбиралась нами в специальных методических опытах таким образом, чтобы создать "водяную подушку" в нижнем бьефе плотины при любых формах кривых связей расходов и уровней в последнем. При исследованиях варианта конструкции переливной плотины с анкеровкой и армированием низового откоса крепление выполнялось с помощью сетки из стекловолокна с размером ячеек 5x5мм и толщиной нитей сетки, равной 1мм.

В третьей главе диссертации обсуждены основные результаты исследований, направленных на получение ответов по всем поставленным задачам.

В начальной части главы проанализированы некоторые общие вопросы постановки, наших исследований. В частности, рассмотрены особенности кратковременных

переливов через гребень обсуждаемых плотин, а также конструкция предложения повышения надежности низовых откосов последних, ранее реализованные на гидроузлах Новой Зеландии, Австралии, США и ЮАР. Радикальным путем решения этой проблемы признано армирование верховой упорной призмы плотины, а также низового откоса с дополнительным усилением последнего специальным покрытием с фильтрующим матом. Приводятся схемы таких конструктивных решений, а также дополнительные элементы типа плит из вязкопластичных материалов, слоев крупнопористых материалов с жесткими вставками и т.п.

Дополнительное обсуждение вопросов устойчивости низового откоса каменно-набросных переливных плотин привело нас к всесторонне отработанной схеме проведения экспериментов. Главным объектом последних явилось изучении процесса перехода потока, переливающегося через гребень каменно-набросной плотины, от поверхностного режима сопряжения к донному и обратно. Результаты этих исследований представлены на графиках, изображенных на рис. 5...8. Штриховая линия на рис.5 показывает экспериментально установленную нами границу режимов (поверхностного и донного). При этом, путем пересчета полученных нами данных на натуру мы представили этот график таким образом, что он может быть использован непосредственно при проектировании реальных переливных плотин; по оси абсцисс отложены предельные напоры над гребнем плотины, а по оси ординат -глубины в нижнем бьефе последней. На рис. 6 и 7 представлены также пересчитанные на натуру результаты исследований различных факторов: области существования поверхностного режима (рис.6); влияния длины носка-уступа на предельную величину напора , при которой сохраняется поверхностный режим. Рис.7 отражает процесс влияния длины носка-уступа на предельную глубину нижнего бьефа, при которой также сохраняется поверхностный режим сопряжения при перелив« через гребень каменно-набросной плотины. Данные о степени

влияния высоты носка-уступа на аналогичную глубину нижнего бьефа отражает график, представленный на рис.8.

Обстоятельным исследованием была подвергнута модель, воспроизводящая переливную фунтовую плотину с низовым откосом, выполненным из укатанного бетона. Результаты этих исследований отражены графиками, приведенными на рис.9... 16. Модель плотины имела различные заложения, низового откоса - от 1:1,5 до 1:2,5. Анализ графиков показал, что глубина нижнего бьефа существенным образом зависит от высоты регулирующей стенки, располагающейся ниже по течению от подошвы низового откоса. Легко видеть, что зависимость глубины нижнего бьефа от напора над гребнем носит линейный характер (рис.9). Важными результатами опытов явились графики, изображены на рис.9 и 10, где представлены границы перехода от поверхностного к донному режимам. При изменении заложения низового откоса от 1:2,5 до 1:1,5 изменение длины концевого носка-уступа в сторону его почти четырехкратного уменьшения вызывает существенное уменьшение предельной глубины нижнего бьефа и напора над гребнем. Однако эти опыты показали, что делать длину носка-уступа меньше 4м нецелесообразно, т.к. при этом резко уменьшается предельная глубина нижнего бьефа и напор над гребнем (см. рис. 13 и 14). Весьма большое влияние открывает высота носка-уступа. Опыты показали, что при высотах более 5м предельный напор над гребнем начинает резко нарастать. В наших исследованиях наилучшие результаты показал носок-уступ высотой около 6м. При этом, однако, следует учитывать, что окончательно высота носка может быть найдена лишь на основе проведения технико-экономического сравнения вариантов, тщательно учитывающего адекватное увеличение объемов работ.

В тексте работы представлена большая серия различных вариантов обработки опытных данных, полученных на модели плотины с низовым откосом из укатанного бетона,

аналогичных соответствующим графикам, представленных в автореферате для каменно-набросной плотины.

Завершают главу материалы обсуждения результатов исследований переливных грунтовых плотин с армированием и анкеровкой низового откоса. Наши опыты показали, что процесс перелива через плотину с армированием значительно отличается от перелива через плотину с непроницаемым откосом. При малых напорах наблюдается "'проваливание" потока в тело плотины (как это в свое время имело место в известных исследованиях Н.П. Пузыревского) с последующим выходом последнего у подножия низового откоса. При напорах Н > 1.44м начинается процесс перелива через гребень и сливную поверхность низового откоса. Зависимость глубины в нижнем бьефе от напора над гребнем армированной плотины имеет тот же характер, как и в опытах с двумя другими моделями плотин (рис.16). Система регулирования глубины с низовой стенкой, реализованная в наших опытах, была в этих случаях также аналогичной той, которая использовалась в предшествующих Опытах. Отметка гребня этой стенки была на 0,2...0,4м ниже отметки поверхности носка-уступа.

Влияние различных факторов на процесс перелива представлено на графиках рисунков 17... 18. Наши эксперименты показали, что, например, наличие турбулентного фильтрационного потока в теле плотины способствует сохранению поверхностного режима при более широком диапазоне изменения влияющих факторов. Равным образом увеличение длины поверхности носка-уступа (от 4 до 16,4м) мало влияет на изменение предельного напора над гребнем и предельную глубину в нижнем бьефе, при которой сохраняется поверхностный режим сопряжения. Вместе с тем, высота уступа и, равным образом, высота подпирающей регулирующей стенки ниже плотины существенным образом влияют на обсуждаемые: условия сохранения поверхностного режима (рис. 19).

" < Исследования убедительно показали весьма высокую эффективность использования армирующей сетки как средства

LT

предупреждения разрушения низового откоса из-за его размыва и эрозии . Это позволило нам рекомендовать в натурных условиях применять оцинкованные армирующие сетки типа "рабица" с размером ячеек 50x50мм и толщиной стальных стержней, равной 2,5мм. Шаг запусков сетки по высоте плотины должен определяться исходя из результатов прогноза ее напряженно-деформированного состояния.

В тексте главы проанализированы вопросы оценки величины шага армирующих сеток по высоте плотины (рис.20). Наиболее просто установить этот шаг из условия равновесия поверхностного слоя грунта, нагруженного в горизонтальном направлении фильтрационным градиентом dp/dx и проекций касательного напряжения со стороны переливающегося поверхностного потока. В итоге получено, что условия статической устойчивости плотины имеет вид

m.> (l/f- 2iy B,/hn)/( 1+ 2у), ... ... (2)

где m - коэффициент заложения низового откоса, f -коэффициент трения между фунтом тела плотины и основанием f = tg ф, ф - угол внутреннего трения грунта тела плотины, Вг -ширина гребня плотины, hn - высота плотины, \у=А,/А2; А] = [(2H/hn + 1)- r/h:n]; А: =(pjp„ - 1)(1- п), Н - напор над гребнем плотины при переливе; t -глубина воды в нижнем бьефе; рга и р0 -плотности грунта и воды, п- пористость.

Если принять, что заложения верхового и низового откосов одинаковы, т.е. ctg ß = ctga = m ,то при ширине гребня Вг = 0.2hn можно отыскать значение предельного заложения откосов плотины при различных значениях углов внутреннего трения грунта ее тела. Выполненные нами расчеты показали, что армированное и водонасьиценное тело плотины может иметь существенно более крутые откосы, чем у насыпи, отсыпанной из сухого грунта. В проведенных расчетах в полной мере была учтена вертикальная пригрузка воды, действующей на экран, что отвечало случаю неполного водонасыщения основного тела плотины. Этот случай отвечает моменту перед началом перелива потока через гребень или переливу через нее тонким

слоем. Если же плотина полностью водонасыщена, то гидростатическое давление воды на экран будет уравновешено действием воды со стороны тела плотины, а сдвигающая гидростатическая сила останется прежней, но будет распределена по всему фильтрующему телу плотины. В этом случае выражение (2) примет вид

ш > №Р¥ - ВЛ. - (3)

т.е. требуемое заложение откоса может быть существенно больше, чем в случае сухой насыпи.

Обсуждение результатов исследований армированным грунтовых плотин завершается изложением наших предложений, направленных на учет сейсмических воздействий при расчетах последних. Показано, что учет сейсмических воздействий может быть осуществлен путем суммирования к сдвигающей силе инерционных сил, действующих на водогрунтовую массу, т.е.

(РЛ = [ М 1-п) + Po П]+ Q-a, ... (4)

и инерционных сил, действующих на верховую грань плотины (эффект присоединенной массы воды)

ДРЛ = йА-* -а, ... (5)

где ц,. - коэффициент присоединенной массы откоса плотины, определяемый в зависимости от заложения откоса по рекомендациям раздела 5 СНиП Л - 7-81, а, -максимальное горизонтальное компонента ускорения сейсмических колебаний оснований плотины.

При учете сейсмических воздействий удерживающие силы изменяются следующем образом.

Гидродинамическая пригрузка изменяется на

величину:

ДРУ = [(ДРиГР)с- Ctg ß - (ДР^)], ... (6)

где ДРшверт=Рж-Ь2п-И-верт-аверт, ... (7)

где ц верт - коэффициент присоединений массы верхового откоса плотины при его вертикальном движении, а верГ наиболее вероятная вертикальная компонента ускорения.

Сила трения между плотиной и основанием уменьшается за счет действия вертикальных инерционных сил на величину

= [ рм ( 1-п) + р0 п]+ П-а^ ... (8)

Значения расчетных компонент сейсмического ускорения аг и а^ выбираются на основе данных сейсмической районирования. В тексте диссертации приведена карта сейсмической районирования Непала В качестве первого приближения в расчетах сейсмических воздействий параметр аг -можно принимать равным

... (9)

где с - сейсмический коэффициент, принимаемый по графику приведенному в диссертации. При этом параметр а^рт следует принимать равным

^ = 0,3 -а, ... (10)

Проведенные нами расчеты показали, что даже для наиболее тяжелых сейсмических условий Непала, имеющих место в районе Катманду при угле внутреннего трения горной массы 40 - 42° плотины с армированием, выполненные по нашими рекомендациям, могут иметь заложения откосов 1,50 -1,60, что делает их экономически весьма эффективными.

Наш анализ показал, что слабым местом армированной грунтовой плотины может оказаться противофильтрационный элемент в виде экрана из суглинка или иного связного грунта. Если экран выполнен из суглинка, то в целях повышения его сейсмостойкости без заметного увеличения стоимости, желательно воспользоваться предложениями В.М. Лятхера. Согласно этим предложениям вносятся небольшие изменения в технологии укладки экрана. Заключение

Природные условия Непала, с одной стороны, чрезвычайно благоприятны для гидротехнического строительства, так как здесь имеется большая потребность в энергии и большой гидроэнергетический потенциал многочисленных рек. С другой стороны, водный режим

непальских рек крайне неравномерен и слабо изучен. Величина паводковых расходов сильно изменчива и трудно прогнозируема. Почти вся территория Непала имеет высокую фоновую сейсмичность. В этих условиях необходимо проектировать и строить плотины, допускающие нерегулируемый перелив паводковых вод через их гребень без опасности разрушения тела самой плотины и подмыва подошвы ее низового откоса со стороны нижнего бьефа.

Выполненный обзор современного опыта гидротехнического строительства при указанных условий привел нас к выводу о целесообразности использования плотин из местных грунтовых материалов с армированием тела плотины и защитой низового откоса либо укатанным бетоном, либо сетками из некорродируюшего материала.

Модельные гидравлические исследования трех типов плотин - каменная наброска, укатанный бетон, армированная плотина при заложении их низовых откосов от 1: 1,5 до 1: 2,5 с разной шероховатостью поверхности и разной фильтрационной способностью откоса показали, что пропускная способность водослива, образующегося при переливе воды через гребень, практически не зависит от формы и шероховатости низовог о откоса. Коэффициент расхода гребня такой плотины может быть принят равным 0,35, что согласуется с данными других автороЕ!.

При расположении в конце низового откоса уступа и в нижнем бьефе на удалении 5.5 высот плотины регулирующей стенки с высотой, примерно равной высоте уступа, при любой форме низового откоса плотины имеет место поверхностный режим сопряжения бьефов, если напор над гребнем плотины меньше некоторого предельного значения. Этот предельный напор над гребнем плотины и соответствующая предельная глубина нижнего бьефа зависят от формы низового откоса и относительных размеров носка-уступа.

Для плотин с маловодопроницаемым низовым откосом повышение шероховатости откоса при сохранении его

л

наклона (1: 2,5) вызывает увеличение предельных напоров (расходов) и уменьшение предельных глубин нижнего бьефа.

Уменьшение заложения откоса, т. е. увеличение его крутизны от 1: 2,5 до 1: 1,5, напротив, приводит к уменьшению предельных напоров (расходов) и увеличению предельных глубин нижнего бьефа

В работе предложена и испытана фунтовая плотина с креплением тела и поверхности низового откоса с помощью армированной сетки . Гидравлические испытания модели такой плотины показали, что при наличии в нижнем бьефе за плотиной небольшой регулирующей стенки и в конце низового откоса уступа высотой до 0,2 - 0,3 от высоты плотины в широком диапазоне напоров в нижнем бьефе имеет место поверхностный режим сопряжения бьефов и нет опасности подмыва плотин. Наилучшие условия для сохранения такого режима наблюдаются именно в случае плотины с армированием, когда фильтрационный поток, идущий от гребня к низовому откосу, покрытому сеткой, заанкереной в тело плотины, повышает давление под струей и не дает ей опуститься на дно.

Полученные графики зависимости предельного напора нал гребнем плотины для разной высоты и длины уступа на низовом откосе плотины позволяют выбрать параметры этого уступа на основе технико-экономической оптимизации. Такая оптимизация особенно необходима для определения высоты уступа. Что касается длины уступа, то она может быть принята минимальной - порядка 0,2 от высоты плотины.

Предложенная и изученная грунтовая плотина с армированием может иметь компактный профиль с коэффициентом заложения откоса, равным т =1,5... 1,6 даже в районах с 9-ти бальной сейсмичностью и допускать перелив через гребень с относительным напором до 0,35 от высоты плотины и более, с сохранением поверхностного режима сопряжения бьефов. Такая плотина может найти широкое применение в практике строительства гидроузлов на реках Непала.

Рис. 1. Экспериментальна« установка

1- Задвижка на подводящем /рубо проволе; 2- Iшовной бак, 3 - мерный водослив; 4- трубопровод, подающий воду в головной бак; 5 - успокоительные решетен; 6 - шпитценмасштабы; 7 - мерный стеклянный цшшнд водослива, 8 - штурвал жалдозного затвора в концевой части логкя; 9 -кожух устройства для сброса воды; 10 - зеркальный лошк 11 - металлическая рама в основании ^отка; 12 - модель грунговой переливной плотины, 13 - стойки рамы; 14 -пмомдфмческая трубка, 15 - подводящий трубопровод, 16 - подпорная стенка

Рис.2. Модель переливной грунтовой плотны с креплением нтового откоса касенио-наброской; 1 - тело платины из шебкя; 2 • водонепроницаемое покрытие из полиэтиленовой пленки; 3 - диафрагма из органического стекла: 4 - покрытие с раствором из иечеита и песка;

3 - диафрагма из органического стекла; 4 - укатанный бгтон при ступенчатой укладке (имитация из органического стекла); 5 - иомок-усгуп |

Рис.4. Модель переливной гру нтовой плотины с креплением низового откоса из армирующими сетками из стекловолокна; I - тело плотины га щеоня: 2 - водонепроницаемое покрытие нз полиэтиленовой пленки.3 - диафрагма из органического стекла. 4 - армирующая сетка из стекловолокна; 5 - номок-устул

¿4

Каменно-набросная плотина Влияние высоты носка уступа

% 9

4 5 6

Напор над гребнем, Н,т

Рис.5. Область существования поверхноетьного режима при различных гидравлических условиях перелива потока через грунтовую плотину

10

Заложение откоса 1:2.5

t =f(H) _

Зависимости глубины Нижнего бьефа От напора при Одинаковой высоте стенки

о

Рис- 6. а)

4 5 6

Напор над гребнем, Н.т

Область существования поверхностьного режима в нижнем бьефе

* 6

i

о. С

: Заложение откоса 1 2.5 I

! ,- ----'—о-

; ¡

j* - а = 5,40м iü= 5,20м |

I 1 • I 1

б) 10 15 Длина носка- уступа, L м п

5

i а

S 4

« = ' а. ш

'Заложение откоса 1 2.5

5 Ю 15 ,

Длина«г>ска- уступа, ,м Рис.7. Влияние различных факторов на характеристики процесса Перелива потока через каменно-наброе(сую плотину

а) Влияние длины носка -уступа на предельную величину напора;

б) Влияние длины носка-уступа на предельную глуоину нижнего бьефа, при котором сохраняется поверхностный режим

Предельная глубина нижнего бьефа над нооом-уступа, (I • а),м -1 м и

Пределы»« напор, Ни м и ь 01

■•> 01 «м ио оЗ

О'

3>

«

'Л 2 3

1Т1т1

1 2 3 А г " 6

Напор над гребнем Нм Рис. 10,- Область существования поверхностного режима в нижнем бьефе переливной грунтовой плсгнны. имеющей крепление низового откоса, возведенное из Vкатанного оетона

8

7

4 5 6

Напор над гребнем, Н.м

Рис. 11. Влияние длимы носка-уступа (Ь„)иа существование поверхностного режима в нижнем бьефе переливной грунтовой плотины с креплением низового откоса, выполненным «з укатанного 5<ггона при заложении последнего равном 1

6

ге

о ■8-

о а ю

г

о г X £ г о 2

о я

X

ю £

Рис.12.

1

3

4 5 6 7

Напор над гребнем, Н.т Влияние длины носка-уступа(Ь1() на существование поверхностного режима в нижнем бьефе переливной грунтовой плотины с Креплением низового откоса, выполненным из укатанного бетона при заложении последнего равном 1:1,5

Длина носка- уступа. !_н ,м

Рис. 13. Влияние длины носка-уступа на: а) предельную величину напора;

б) предельную 1 луошгу в нижнем бьефе; при которых сохраняется поверхностные режимы сопряжения бьефов ( перелив через 1ругггопой плотины е креплением низовою откоса ил укатанного бетона)

5 10 15

Длине носка- уступа. LM »

Рис. 14. Влияние олины носка-ус1упа LM на: а) предельную величину напора;

б) предельную глубину в нижнем бьефе; при которых сохраняется поверхностью режимы со прижег ищ бьефов < перелив чере» i-рунтопой «о илогииы с креплением пиюпого огкосо из укатанною бетона ^

s S

ir

Зал-^жспис . ткоса i 1 1.5

Lн = 16.40м. Л1 = 5.50м; ,12= 4- 00м. Л3 =3,ООм.

2

б)

---о-

5 6

Высота носка - уступа . а . м

s s

Р3

а

lû о

5J2

к з:

g, с: \о

Рис. 15.

■в-1 Л1 •

I ЭаНОЖСИНС ^УГКОСУ ----1..... II.S __________

L н s 16,40м; Л1 = 5,50м; Л2= 4.00м; Л3=3,00м.

А 5-(э

Высота носка - уступа . а . ц

Влияние высоты носка-уступа на: а) предельную величину напора; б) предельную глубину в нижнем бьефе над носком -уступа, при которых сохраняется поверхностные режимы сопряжения бьефов ( перелив черев грунтовую плотииу с креплением тгюоого о ГКО с и из укатанного бетона)

го

Напор над гребнем , Н, ш

Рис.16 Область существования поверхностного режима при переливе через каменно-набросную плотину с креплением нивового откоса, выполненным с помошью армирующих сеток

плияиие .шины поска-уступа

Напор «ад гребнем . И . т

Рис. 17. Область существования поверхностного режима при переливе через каменно - набросную плотину с креплением низового откоса, выполненным с ломошью армирующих сеток а)

Рис.18. Влияние длины носка-уступа на: а) предельную величину напора;

б) предельную Шубину нижнего бьефа, при переливе через каменно-набросную плотину, при котором сохраняется поверхностный режим сопряжения бьефов

5 в

Высоте носка - уступа

е .

«> то

£

щё.щ.*

-з-г-

Высота носка - уступа . а, ГП Рис. 19. Влияние высоты носка-уступа на а) предельную величиму шшора;

б) предельную глубину в нижнем бьефе мал нос ком-уступа, при переливе черет каменно - набросную плотину с креплением ничового откоса, выполнеюшм с .помощью ирмяругоотих сеток. При которых сохраняется поверхностные режимы сопряжения бьефов

1 - крепление верхового сггюса в виде пригру зки из горной массы;

2 - бстонне покрытие с деформациоиыми отпами;. 3 - армирующая сетка; 4 -горная масса; 5 - обратный Фильтр; б - экран из суглизгка с армирующими полосами т 1рунтоцемента но 7 - ¿гренажный пофяк