автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкций, методов расчетного обоснования и проектирования противофильтрационных устройств грунтовых плотин

На правах рукописи

Кандидат технических наук АНАХАЕВ Кошкинбай Назирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДОВ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-1997

Работа выполнена в Кабардино — Балкарской государственной сельскохозяйственной академии и Московском государственном университете природообустройства.

Научные консультанты: — доктор технических наук,

профессор В.П. Недрига

доктор технических наук, профессор И.С.Румянцев.

Официальные оппоненты:

—доктор технических наук, старший научный сотрудник Покровский Г.И.; — доктор технических наук Малышев Л.И.; —доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Косиченко Ю.М.

Ведущая организация Инженерный научно—производственный

центр по водному хозяйству и экологии "Союзводпроект"

Защита состоится " S- "—- 1997 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 120.16.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, И—550, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП. Автореферат разослан " Л£ "—— 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, профессор

Л.В.Яковлева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в России с учетом экономической нестабильности, роста цен на энергоресурсы и падения добычи всех видов органического топлива, значительного износа оборудования ТЭЦ и фактического моратория на строительство новых АЭС выдвинута концепция интенсивного освоения возобновляемых гидроэнергетических ресурсов. Осуществление этой концепции потребует создание гидроузлов с водоподпорными грунтовыми плотинами. Начиная с 50—х годов особенностью отечественного и мирового плотииостроения является резкое увеличение числа проектируемых и построенных плотин. Так, по данным СИГБ, более 99% из всех построенных плотин высотой более 15 м были сооружены за последние 35—40 лет. При этом около 30% из них имеют высоту до 30 м, 95%—до 60 м, и только 1,2% имеют высоту свыше 100 м. -

Более 90% всех проектируемых и построенных за последнее время в мире плотин составляют грунтовые плотины—от низконапорных плотин и дамб, хвосто— и шламохранилищ до плотин — гигантов высотой более 200 м, таких как Рогуяская (строящаяся) — 330 м; Нурекская — 300 м; Чикаосен (Канада)—245 м; Майка (Канада)—240 м; Оровилл (Канада) —220 м; Кебан (Турция)—208 м и др. По объемам грунта такие плотины достигают 130 млн.м3.

Такой прогресс грунтовых плотин обусловлен:

— их высокой экономичностью, объясняемой сокращением использования привозных материалов и широким применением для возведения тела последних местных грунтов, в том числе и из полезных выемок, что особенно важно для отдаленных и труднодоступных районов;

— высокой технологичностью и механизацией земляных работ, связанных с появлением мощных машин и механизмов, с применением новых технологических схем разработки и транспортировки грунта;

— возможностью строительства в районах с тяжелейшими инженерно —геологическими, климатическими и сейсмическими (до 8—9 баллов) условиями;

— большими научными достижениями в развитии механики грунтов, в создании новых видов расчетов напряженно—деформированного состояния плотин и устойчивости откосов, в прогнозах фильтрационной прочности грунтов тела и основания рассматриваемых сооружений;

—широким разнообразием имеющихся конструкций грунтовых плотин, позволяющим сегодня использовать для тела плотины практически любые грунты, находящиеся вблизи ее створа.

Многие из построенных грунтовых плотин были предназначены для создания водохранилищ с огромными объемами аккумулируемой воды, в связи с чем возникновение повреждения или разрушения последних приводили к катастрофическим последствиям с большим количеством человеческих жертв и огромным материальным ущербом.

Около 60—70% всех зарегистрированных аварий приходится на долю грунтовых плотин, а среди них более 70% аварий на долю плотин высотой до 30 м. Разрушений плотин высотой более 100 м в мире еще не проис —

ходило. Последнее в какой—то степени свидетельствует о надежности их конструкции. Для стран бывшего СССР, имевшей к 1990 г. около 600 грунтовых и 70 бетонных плотин высотой более 15 м, обеспечение надежности плотин особо актуально, поскольку еще в недавнем прошлом (1965 г.) наша страна входила в тройку стран наиболее неблагополучных с точки зрения количества зафиксированных повреждений и аварий (7%), после Алжира (28%) и Родезии (39%).

Анализ показал, что основной прямой или косвенной причиной аварий грунтовых плотин (до 70 — 80%) являются фильтрационные деформации их противофильтрационных устройств (ПФУ). В связи с этим актуальнейшее значение приобретают вопросы разработки более совершенных, надежных и рациональных конструкций ПФУ грунтовых плотин, способов их сопряжения с основанием и методов расчетного обоснования. В решении этой проблемы особое место занимают вопросы детального изучения фильтрации в ПФУ с учетом пространственного характера потока в них, различных форм и конструктивных особенностей ПФУ, их сопряжений с береговыми склонами и основаниями, в том числе посредством смотровых галерей и противофильтрационных диафрагм, анизотропной и неоднородной проницаемости их грунтов, обусловленными технологией возведения плотин и их напряженно — деформированным состоянием. При этом важной составной частью этой задачи является совершенствование дифференцированной системы фильтрационного контроля для выявления отдельных зон области фильтрации с наиболее вероятными местами нарушений фильтрационной прочности грунта ПФУ и выполнении там необходимых защитных мероприятий. .

Существующие конструкции ПФУ грунтовых плотин и методы их расчетного обоснования остаются до настоящего времени не вполне совершёнными, в связи с чем, в ряде случаев, принимаются к строительству недостаточно надежные или нерациональные схемы и конструктивные формы ПФУ грунтовых плотин, что ведет к повышению их стоимости, неполному и неэффективному использованию их возможностей, а нередко и к повреждениям и разрушениям, о чем свидетельствует опыт мирового плотиностроения.

В связи с изложенным актуальность совершенствования конструкции ПФУ грунтовых плотин и методов их расчетного обоснования является вполне очевидной и правомерной, что обусловливает необходимость обобщения многочисленных методов расчета и имеющихся конструкций ПФУ грунтовых плотин для разработки теоретических и практических рекомендаций по совершенствованию их конструкции, методов расчета и проектирования.

Разработка на основе теоретических и лабораторных исследований комплекса методов фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин, учитывающих пространственность потока, формы профилей створов и береговых склонов, типы дренажных устройств, методов сопряжений с основаниями, анизотропной и неоднородной проницаемости грунта в зависимости от способа производства работ и напряженно—

деформированного состояния сооружения, а также новых рациональных конструкций ПФУ и водопропускных сооружений грунтовых плотин является решением важной народнохозяйственной проблемы, новым достижением в области научного обоснования возводимых грунтовых плотин в гидротехническом и мелиоративном строительстве, в ускорении научно—технического прогресса в этой отрасли.

Целью работы является разработка на основе теоретических и экспериментальных исследований методологии фильтрационных расчетов и проектирования противофильтрационных устройств грунтовых плотин, совершенствование и разработка их новых рациональных конструкций.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. На основе изучения и обобщения отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства грунтовых плотин осуществить анализ современного состояния существующих конструкций их ПФУ, методов расчетного обоснования и проектирования, определить основные характерные типы рассматриваемых ссоружений.

2. Разработать на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований методы расчета пространственной и плоской фильтрации в вертикальных ПФУ постоянной толщины с учетом формы профиля створа и береговых склонов, наличия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости (прямолинейной, параболической, скачкообразной) грунта ядра.

3. Создать на основе осуществленных гидравлических решений и данных проведенных экспериментальных исследований новую методику эасчета фильтрации в трапецеидальных ядрах грунтовых плотин с учетом фостранственности, формы профиля створа и береговых склонов, на — шчия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся по 5Ысоте проницаемости грунта ядра, а также напряженно— сформированного состояния плотины.

4. Предложить на основе гидравлико—гидромеханических исследований и данных лабораторного моделирования новые аналитические методы расчета пространственной и плоской фильтрации в наклонных |драх и экранах постоянной и переменной толщины с учетом формы фофиля створа, наличия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или гередующейся по высоте проницаемости грунта, а также напряженно— сформированного состояния тела плотины.

5. Разработать на основе гидромеханического решения метод фильтрационного расчета ядер грунтовых плотин, сопряженных с про — [ицаемым (непроницаемым) основанием с помощью непроницаемой [литы, диафрагмы, смотровой галереи с различными поперечными очертаниями, в том числе при пересечении ядром сильнопроницаемых ллювиальных отложений, сопряжении зуба ядра с противофилътраци — иной диафрагмой (стенкой) основания и т.д.

6. Создать на основе гидравлико—гидромеханических и экспери— [витальных исследований новые методы расчета пространственной и лоской фильтрации в грунтовых плотинах с различными типами дре —

нажей (наслонным, пластовым, ленточным, трубчатым, с дренажной призмой) с учетом формы профиля створа и береговых склонов, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости грунта плотины.

7. Составить рекомендации по проектированию и строительству грунтовых плотин, совершенствованию и разработке новых конструкций их ПФУ и водопропускных сооружений, выбору наиболее эффективных и рациональных форм и типов, обеспечивающих надежную работу всего сооружения.

Методы исслелований. Работа была выполнена путем проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследований в течение 198f—96 г.г. Для решения перечисленных выше вопросов и задач применялись следующие методы:

— анализа и обобщения современных достижений теории и практики в области конструирования, расчетов, проектирования и строительства ПФУ грунтовых плотин;

— гидравлические, используемые для расчетов фильтрации, основанные на законе А.Дарси и ламинарном характере режима фильтрации, позволяющие находить необходимые параметры фильтрационного потока с достаточной для инженерных расчетов точностью;

—гидравлико — гидромеханические, применяемые для отыскивания искомых параметров фильтрации путем "сшивания" локальных решений, полученных для отдельных фрагментов области фильтрации;

—гидромеханические, основанные на применении методов теории функции комплексного переменного с использованием метода последовательных конформных отображений;

— моделирования характера движения фильтрационного потока в ПФУ грунтовых плотин на электропроводной бумаге (по методу ЭГДА) и в грунтовом лотке;

— оценки точности полученных расчетных зависимостей.

Научная новизна работы заключается в следующих, выносимых на

защиту, положениях:

— разработке и совершенствовании методов фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин с учетом пространственности фильтрационного потока, формы профиля створа и береговых склонов, анизотропной и неоднородной проницаемости грунта ПФУ, наличия или отсутствия воды в НБ;

— разработке методики расчета пространственной и плоской фильтрации в вертикальных и наклонных ПФУ постоянной и переменной толщины, земляных плотинах с различными типами дренажей с целью определения таких параметров потока как фильтрационный расход, положение поверхности депрессии и высота участка высачивания, значения выходных градиентов напора в створах с различными очертаниями береговых склонов;

— определении новых параметров пространственной фильтрации в ПФУ грунтовых плотин — нормальной к плоскости низовой грани ПФУ (In n) и касательной вдоль по створу (In t) составляющих полного выходного градиента напора (1ВЫХ); '

— научном обосновании значительного снижения в условиях пространственной фильтрации значений выходных градиентов напора, в особенности, в области сопряжения с береговым склоном, причем более интенсивное на крутых участках, чем на пологих. При этом в узких створах происходит взаимоналожение депрессионных поверхностей противоположных береговых склонов, что ведет к общему повышению их уровня, более значительному при выпуклых склонах, чем при прямолинейных и вогнутых;

— получении на основе реализованного гидравлического решения с использованием метода суперпозиции универсальной формулы (с среднеарифметическим отклонением +0,7%) для определения фильтрационного расхода в грунтовых плотинах с различными типами дренажей (вертикальным, наслонным, пластовым, ленточным, трубчатым, дренажной призмой и др.) при заложениях верхового откоса в интервале 0 < ш( < со и трапецеидальных ядрах, а также расчетных зависимостей для определения высоты высачивания и положения поверхности депрессии, построения гидродинамической сетки в грунтовой плотине и определения необходимого заглубления начала дренажа в тело плотины с учетом глубины промерзания низового откоса;

— гидромеханическом решении (с использованием аппарата теории функции комплексного переменного) задачи фильтрации в ядре при наличии смотровой галереи и противофильтрационной диафрагмы с разработкой нового эффективного приема последовательных конформных отображений. Полученное решение совпадает для частных случаев с известными решениями проф. Недриги В.П. и акад. Павловского H.H.;

— совершенствовании метода фильтрационного расчета ПФУ из грунтов с анизотропной или чередующейся из тонкослоистых пластов с различной проницаемостью;

— результатах анализа влияния напряженно—деформированного состояния (НДС) сооружения на характер проницаемости грунтов в различных областях и разработке методики фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин с учетом НДС, основанной на интегральном определении элементарных расходов, дифференцированных для отдельных зон с различной проницаемостью грунта при наличии "арочного эффекта", двойного "арочного эффекта" и без таковых;

— разработке новых усовершенствованных конструкций ПФУ грунтовых плотин и способов сопряжения их с основаниями, обеспечивающих надежную работу сооружения и снижение ее материалоемкости; противоразмывного устройства в пригребневой зоне (для борьбы с трещинообразованием) и местах возникновения "фокусов размыва" (для нейтрализации повышенных значений выходных градиентов напора); "мерзлого" ПФУ плотины; дифференцированного контроля фильтрации в ПФУ и др., а также новых усовершенствованных конструкций водопропускных сооружений при грунтовых плотинах и дамбах.

Техническую новизну конструктивных решений по результатам адссертационной работы подтверждают 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Практическая значимость работы характеризуется тем, что полученные в диссертации результаты позволяют усовершенствовать ПФУ грунтовых плотин, более обоснованно назначать их конструктивные формы с учетом влияния пространственности фильтрационного потока, очертаний профилей створов и береговых склонов, устанавливать тип и местоположение дренажных устройств, смотровых галерей и противофильтрадионных диафрагм. Предложенные расчетные зависимости позволяют достаточно быстро и надежно определять все необходимые параметры фильтрационного потока с учетом конструктивных особенностей ПФУ грунтовых плотин, различных форм очертаний береговых склонов, анизотропных и неоднородных свойств грунтов и т.д., что имеет важное значение при массовом проектировании и строительстве плотин и выборе вариантов. Разработанные в работе усовершенствованные рациональные конструкции ПФУ грунтовых плотин и способов их сопряжений с основаниями позволяют повысить надежность работы сооружений, снизить их материалоемкость, повысить уровень дифференцированного контроля фильтрационной целостности ПФУ, повысить надежность работы водопропускных сооружений грунтовых плотин и дамб и т.д.

Внедрение результатов работы осуществлялось при проектировании каменно—земляной плотины Терско—Малкинского гидроузла; при проектировании и строительстве бассейна суточного регулирования объекта "Орошение подземными водами в племсовхозе "Прохладпенский" КБР, а также объектов "Защита 7го коллектора в микрорайоне "Александровка" на р. Нальчик"; "Берегоукрепительные работы на р.' Нальчик, в районе очистных сооружений производственного объединения "Водоканал", "Защитные мероприятия по стабилизации оползневых процессов на автодороге Гергепеж — Кашхатау" и др. Включены в нормативный справочник "Гидротехнические сооружения" серии "Мелиорация и водное хозяйство" (в печати издательства "Колос"), внедрены в методическую литературу и учебный процесс Университета Дружбы • Народов, Новочеркасской Государственной мелиоративной Академии, Кабардино-Балкарской государственной с/х Академии и других учебных заведений; двум методическим указаниям присвоен гриф УМО "Для межвузовского использования".

Личный вклад в решение проблемы. Диссертационная работа является результатом пятнадцатилетних научных исследований автора. Постановка проблемы и определение задач для ее решения с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования, научное обоснование и анализ, формирование всех итоговых выводов осуществлены лично автором диссертации. При разработке отдельных конструкций ПФУ и водопропускных сооружений принимали участие инженеры, ассистенты и научные работники под научным руководством и постоянном непосредственном участии автора диссертации. Конструкция ПФУ аккумулирующей емкости разработана совместно с д.т.н., проф. |Недригой В.П.| , с.н.с. Дидовичем М.Я., и Захаровым М.Н. При постановке ряда задач, рассмотренных в

диссертации, автор получил ценные советы от своих научных консультантов д.т.н., проф.|Недриги В.П.|, и д.т.н., проф. Румянцева И.С., 1 также от д.т.н., проф. Веригина H.H.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы Зыли неоднократно обсуждены и одобрены: на семинаре по ггроительству каменно —земляных плотин (Москва, ВНИИ "ВОДГЕО",

1984); на первой научно—технической конференции кафедр КБАМИ [Нальчик, 1985); на республиканской научно—технической конференции 'Молодежь и естественные науки" (Нальчик, 1985); на научно-практической конференции "Совершенствование методов проектирования в водохозяйственном строительстве" (Новочеркасск,

1985); на республиканской научно—практической конференции 'Молодежь, наука и техника" (Нальчик, 1985); на XVй научно-технической конференции по проблемам строительства и машиностроения (Нальчик, 1988); на региональной научно—технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1988); на научно-практической конференции "Молодежь—народному хозяйству" (Нальчик, 1988); на научно — практической конференции "Наука —производству" [Нальчик, 1989); на Всесоюзной научно'—технической конференции "Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве", секция гидравлики и фильтрации (Новочеркасск, 1989); на семинаре МГМИ по разработке "Программы" для вузов специальности 31.11 — Механизация мелиоративных работ "Мелиорация, гидротехнические сооружения и экология" (Москва, 1989); на Всероссийской научно — практической конференции "Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1990); на Всероссийской научно—практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования эрошаемых земель" (Новочеркасск, 1995); на научно —практической конференции КБГСХА (Нальчик, 1995); на межвузовской научно-практической конференции в секции "Технические науки" (Нальчик, 1996); на научно—технических Советах—совещаниях Управления "Каббалкавтодор" и проектного института "Каббалкводмелиорация" (Нальчик, 1996); на заседаниях кафедры "Гидротехнические сооружения и инженерные конструкции" , Совета факультета "Природоустройство" и Ученого Совета КБГСХА (Нальчик, 1996); на заседании сотрудников \аборатории гидротехнических сооружений и плотин из грунтовых материалов ВНИИ "ВОДГЕО" (Москва, 1997) и др.

Результаты выполненной работы были представлены на ВДНХ СССР и отмечены Серебряной медалью за научные успехи в области конструирования грунтовых плотин (Москва, 1992).

Основные положения диссертации опубликованы в центральной печати и ведомственных сборниках, в том числе в журналах "Гидротехническое строительство" 1992, 1994, 1995; "Энергетическое строительство" 1991, 1993; "Мелиорация и водное хозяйство" 1991, 1997 (в печати); "Известия вузов. Строительство и архитектура" 1990 (2 статьи), 1991; Труды ВНИИ "ВОДГЕО" - 1985, 1987 (2 статьи) и др.

Публикации. Основные научные достижения, полученные в рамках рассматриваемой диссертации, опубликованы в 42 работах. Автором получено 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы, содержащего 483 наименований, и приложений с актами внедрения. Основное содержание диссертации изложено на 487 страницах, включая 325 страниц машинописного текста, 103 рисунка, 16 таблиц и 39 страниц библиографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена изучению и обобщению отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства грунтовых плотин, на основе которого дан критический анализ современного состояния существующих конструкций ПФУ, методов их расчетного обоснования и проектирования, определены также основные характерные их типы.

Под противофнльтрационным устройством (ПФУ) грунтовой плотины принято понимать совокупность конструктивных элементов последней, предназначенную для уменьшения фильтрационных потерь через сооружение, понижения депрессионной поверхности и уменьшения действующих и выходных градиентов напора в ее теле с целью предотвращения возможных опасных фильтрационных деформаций и т.д. Выбор схемы ПФУ представляет собой сложную технико—экономическую задачу и определяется как конструктивными особенностями самой грунтовой плотины, так и наличием вблизи створа карьеров соответствующих грунтов, принятых технологий производства работ, имеющимся парком строительных машин и механизмов, климатическими условиями, характером профиля створа и инженерно — геологическими и гидрогеологическими условиями и т.д. Для облегчения решения этой задачи в работе на основе изучения опыта проектируемых и построенных плотин определены основные характерные типы конструкций ПФУ, применяемые в грунтовых плотинах в виде вертикальных и наклонных ядер и экранов постоянной и переменной толщины, однородных земляных плотин с различными типами дренажей (наслонным, вертикальным, пластовым, ленточным, трубчатым, дренажной призмой), способов их сопряжения с непроницаемым и проницаемым основаниями и береговыми склонами, методов борьбы с трещинообразованием ПФУ и т.д. При этом показано, что наиболее уязвимым местом, с фильтрационной точки зрения, является зона контакта ПФУ с основанием, береговыми склонами, а также с смотровыми галереями и противофильтрационными диафрагмами, где проницаемость грунта приобретает значительно большие значения, чем в теле ПФУ, и не исключается развитие фильтрационных деформаций. Изучению этого вопроса и разработке конструкций, направленных на повышение надежности сопряжения ПФУ с основаниями и береговыми склонами, были посвящены работы: Борового A.A., Васильева И.М., Гинзбурга М.Б., Жиленкова В.М., Казангранде А., Касаткина Н.В., Кира — Косова В.П., Клецель Г.С., Кузнецова B.C., Купермана В.А., Малышева М.П., Мельника В.Г., Моживитинова А.Л., Моисеева С.Н., Моисеева И.С.,

ызникова Ю.Н., Недриги В.П., Ничипоровича A.A., Павчич М.П., Петера , Радукич Б., Радченко В.Г., Рассказова Л.Н., Рейниуса Э., Ронжина И.С., ртаковского Д.М., Тейтельбаума А.И., Уличкина Г.М., Чутаева P.P., илькнехта Р.И., Шниттера Г., Румянцева И.С., Ягина Вл.П., Ягина Вас.П. АР.

Решением задачи фильтрации в прямоугольных грунтовых массивах однородных плотинах с различными типами дренажей занимались: опюи Ж., Форхгеймер ф., Козени И., Шаффернак Ф., Кнорре М.Е., оклич А., Павловский H.H., Ян О., Немени Ф., Ненько Я.Т., Угинчус A.A., [анкин П.А., Мхитарян A.M., Де Вое, Михайлов Г.К., Нельсон — сорняков Ф.Б., Замарин Е.А., Казангранде Л., Казангранде А., Маллет X., алышев Л.И., Веригин H.H., Василишин Т.М., Дахлер Р., Ведерников В.В., атта Г., Мелещенко Н.Т., Чарный И.А., Шестаков В.М., Олейник А.Я., д-аев P.P., Михневич Э.И., Войнич—Сяноженцкий Т.Г., Чертоусов М.Д., аскет М., Недрига В.П. и Покровский Г.И., Моргулис М.М., Нумеров Н„ Лю —Сюань—ле, Полубаринова — Кочина П.Я., Вощинин А.П., Хор — гнг У., Виберт А., Проскурников С.М., Чапманн Т.Г., Франкович А., эндратьев В.Ф. и др.

Фильтрационными расчетами ПФУ грунтовых плотин занимались тогие отечественные и зарубежные исследователи, в том числе:

— вертикальных ядер постоянной и переменной толщины — Пав — вский H.H., Мелещенко Н.Т., Дахлер Р., Девисон Б.Б., Гамель Г. и онтер Е., Маскет М., Войков Р. и Рид Д., Чарный И.А., Казагранде Л., идрейчиков М.Е., Нельсон — Скорняков Ф.Б., Вайниг Ф. и Шильдс А., зайтенодер М., Ненько Я.Т., Ведерников В.В., Михайлов К.А., Михайлов К., Полубаринова — Кочина П.Я., Недрига В.П., Веригин H.H., Угинчус А.,Гузов М.З., Шанкин П.А., Розанов Н.П., Трофимов Н.М., Миоду— евский В., Проскурников С.М., Рылеев В.И., Папазчев И.,Буренкова В.В.

др.;

— наклонных ядер и экранов постоянной и переменной толщины — авловский H.H., Замарин Е.А., Гузов М.З., Дахлер Р., Нельсон— корняков Ф.Б., Михайлов Г.К., Мелещенко Н.Т., Угинчус A.A., Чугаев P.P.

др.;

—ПФУ с противофильтрационной диафрагмой и цилиндрическим ементом (смотровой галереей) в месте сопряжения с основанием — хитарян A.M., Шестаков В.М., Башкис Е., Нгуен Суан Чыонг, Чугаев P.P., шсалес Ф. и Альварадо Д., Недрига В.П., Веригин H.H., Дегтярь В.Г., эсиченко Ю.М., Бурдинский В.Н. и др.

Изучением вопросов пространственной фильтрации в грунтовых 1ссивах на основе натурных наблюдений, теоретических и экспери— гнтальных методов занимались: Аравин В.И. и Носова О.Н., Недрига В.П. Хапалова Е.А, Гришин М.М., Маллет X. и Пакюант Ж., Велковски Г., ;курава 3„ Покровский Г.И., Аликин В.Г., Рассказов Л.Н., Малышев Л.И., орчевский В.Ф., Румянцев И.С. и Мацея В.Ф. и др.

В ряде случаев, грунт ПФУ приобретает анизотропную водопрони — 1емость, что оказывает существенное влияние на характер фильтраци — шого потока в плотинах, изучению которого были посвящены работы:

Аравина В.И., Нумерова С.Н., Полубариновой — Кочиной П.Я., Бэр Я. и д Самсьо А.Ф., Гришина М.М., Абаджиева Х.Б., Цедергрена Х.Р., Гонсале Ф. и Альварадо Д., Лелиавски С., Маллета X. и Пакюанта Ж., Михайло Г.К., Малышева Л.И., Комада X. и Каназава К., Розанова H.H., Мелентье В.А. и др., Малова О.В. и Шешукова Е.Г и др.

Напряженно—деформированнное состояние (НДС) плотины ока зывает существенное влияние на физико — механические и фильтраци онные характеристики грунта ядра. При этом происходит доуплотнен более нижних слоев грунта с понижением проницаемости грунта, ч оказывает соответствующее влияние на основные параметры фильтра ционного потока в плотинах. Фильтрационными расчетами грунтов] массивов с учетом неоднородной проницаемости грунта занимали! Гиринский Н.К., Недрига В.П. и Покровский Г.И., Рассказов Л.Н. и д Малышев М.П., Чарный И.А., Косовцева A.B., Аликин В.Г., Абаджиев X. Ильинский Н.Б. и Хайруллин З.Э и др.

Как показал проведенный анализ, имеющиеся способы конструи рования и расчетов ПФУ грунтовых плотин хотя и позволяют запроек тировать в основном достаточно надежные сооружения, но, в ря случаев, дают искажение результатов расчетного обоснования и, к следствие, принимаются к производству нерациональные и аварийно опасные конструкции ПФУ плотин. В связи с этим в данной главе при ведены основные характерные схемы применяемых ПФУ грунтов! плотин и дан анализ существующих методов их расчета с указанием преимуществ и недостатков. На основании изложенного определены ос новная цель и главные задачи по усовершенствованию конструкции, ме тодов расчетного обоснования и проектирования ПФУ грунтовых плотин

Вторая глава диссертации посвящена разработке на основе теоре тических и экспериментальных исследований методов расчета про странственной и плоской фильтрации в вертикальных ПФУ постоянн толщины с учетом формы профиля створа плотины и береговых склонс наличия и отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся высоте проницаемости (прямолинейной, параболической, скачкообразно грунта ядра. При проектировании и строительстве фунтовых плотин, частности, каменно — земляных и ячеистых плотин, в ряде случаев, вер тикальные ПФУ выполняют постоянной толщины (ядра, диафрагмы, пе ремычки). В связи с тем, что в таких плотинах проницаемость груи упорных призм в 100 и более раз превышает проницаемость грунта ПФУ движение воды в пределах упорных призм происходит практически С потерь напора, то фильтрационный расчет всей плотины сводится расчету фильтрации в ее ПФУ. При этом на русловых участках широк створов с малоизменяющейся глубиной фильтрационный поток харак теризуется плоскопараллельным течением, а в области береговых при мыканий линии тока описывают сложную траекторию, одновремен понижаясь и смещаясь в сторону тальвега русла, т.е. поток движется трехмерной области фильтрации. С учетом вышеизложенных особен ностей в данной главе изложены результаты теоретических и экспери ментальных исследований по определению основных параметров филы

ционного потока в ПФУ, таких как: высота линии высачивания и поженив депрессионной поверхности, величины действующих напоров и здиентов напора вдоль подошвы ПФУ, значения выходных градиентов пора по низовой грани ПФУ и фильтрационных расходов в зонах выживания и подпора НБ.

Имеющиеся в настоящее время решетя являются либо чрезвычайно эмоздкими и трудоемкими для использования на практике, либо огра — чиваются рекомендациями по приближенному определению отдельных раметров потока. В главе приводятся зависимости, полученные автором основе имеющихся строгих и численных решений, данных опытов по тоду ЭГДА. и на' грунтовом лотке, которые позволяют определить с статочной для инженерных расчетов точностью все необходимые ха— ктеристики пространственного и плоского фильтрационных потоков.

В качестве расчетного принят створ с наиболее общим профилем — ризонтальной русловой частью и береговыми склонами, описываемыми эпенными функциями, достаточно точно отражающими реальные ертания последних (рис.1)

Г

Н = н,

-МЗ'

или ж.

в

Ы1-

(1)

з Нл и Н1 —глубины верхнего бьефа (ВБ) у левого берегового склона и в еловой части; Вл—длина левобережного примыкания по уровню воды 8) ВБ; г —текущая координата с центром в точке О; I—коэффициент >рмы берегового склона, равный

' н, ^

1 = 1п|

1п2 = 1,443 Ь

I Нл(и.)

< Н, .

(2)

которой НА(ш) —глубина воды в ВБ в сечении 2 = 0,5ВЛ.

При значениях 0 < I < 1 и 1 < I < и имеем, соответственно, вы — клый .(I) и вогнутый (III), а при 1= 1—прямолинейный (II) профили реговых склонов (рис.2—б).

Формы профилей береговых склонов оказывают большое влияние на ложение поверхности депрессии в ядре. Линии тока в широких створах, :ея наибольшее пространственное искривление у береговых склонов, степенно выпрямляются и в русловой части створа приобретают ха — ктер плоскопараллельной фильтрации. В узких же створах происходит шмоналожение депрессионных поверхностей противоположных бере — зых склонов, что приводит к общему повышению их уровней. Исходя из зго различаем две характерные расчетные схемы створов — широкие В0 Э,5(Зл+8пр) и узкие В0 < 0,5(Зл+5пр), где В„—длина руслового участка юра; Бд и 5пр —горизонтальные смещения крайних береговых линий ков поверхности депрессии в сторону тальвега.

Для руслового участка при наличии воды в НБ высоту высачивания предлагается определять по формуле автора, полученной на основе

анализа результатов строгих (полуобратных) и численных решений опытов по методу ЭГДА.:

Ь. - (^Н./НО'-Ь^ . (3

где п —число, определяемое по формуле:

0 = 0,72 + при ^ < 3),

и о = 7,5*7,5 (при ун >3) ;

Ь„(0) — высота высачивания, определяемая для случая Нг = 0 по формуле

Ь. = ^-0,29^- ; (4;

Ь—толщина ПФУ; Н2 —глубина воды в НБ.

Понижение поверхности депрессии 110 будет равно Ь0=Н—Ь„. (5) Значения формул (3) и (4) практически полностью (до 3 — 4%) со гласутотся с результатами точного решения Полубариновой — Кочиной П В главе приведены также расчетные зависимости для построен депрессионной поверхности, сравнение которых с результатами точногс численного решений, а также с кривыми, построенными по методам ко нечных элементов и граничных интегральных уравнений, дало прак тически полное совпадение (до 3,2%).

С целью выявления характера пространственной фильтрации области береговых примыканий ПФУ были проведены лабораторш эксперименты на большом грунтовом лотке 2,2м х 0,6м х 0,35м с про зрачными стенками. Моделировалась область наибольшего проявлен пространственности потока—примыкание ядра к береговому склону, результате анализа очертаний следов фильтрационных струек в верти кальных сечениях и на плоскости берегового склона выявлена аналог] между горизонтальной и вертикальной проекциями следов линий ток на поверхности берегового склона и очертаниями таковых в плоском ядр На этой основе разработан метод расчета пространственной фильтраци позволяющий определять все необходимые параметры фильтрации области береговых примыканий.

При этом понижение линии высачивания (Ьг) на береговых участк определяется по зависимости:

ь = ь +(ь„-ьЛ , (5

А 10 л} н,-ьл

где Ьл —понижение крайней береговой линии тока, равное

ЬА = Ь0(а„ /90°) ; (

а0—осреднешшй угол наклона берегового склона к горизонту на глубш 0,25110, равный а0=а5—для прямолинейного склона с углом ав наклона а0=агс1д (0,25Ьо/3*л) — для криволинейного, в которой 5*л находится по ( при Нл=0,25Ьо.

Величина смещения крайней левобережной линии тока в сто — зону тальвега русла также определяется по формуле (1) при Нл=11л. Для правобережного склона значения Ьпр и 5пр находятся аналогичным об — эазом. В формуле (5) значение Н'л находится по (1), подставляя вместо Ъ выражение для тл, равное:

л V 2В -Б

л л

Приводятся также расчетные зависимости для построения поверхности депрессии.

В узких створах взаимовлияние поверхностей депрессии противоположных береговых склонов ведет к общему повышению их уровней, дифференцированная величина которой находится путем решения по нетоду наложения течений.

Сравнение значений аналитических решений (5—6) с опытными данными, полученными на грунтовом лотке для пространственной модели, !,ало достаточно близкое совпадение (до 3 — 4%). Пространственность потока оказывает значительное влияние на положение депрессии, что имеет тжное значение при проектировании. Так, в сравнении с вогнутым :клоном указанное повышение составляет для прямолинейного склона до 14%, а для выпуклого — до 120% и более. Линия высачивания по плоской *адаче занижается в центральной части до 30—50% и более, а у береговых :клонов, наоборот — завышается.

Приводятся также расчетные зависимости, полученные в развитие •идромеханического решения Маскета М., для определения действующих напоров и градиентов напора по подошве ядра для условий наличия и зтсутствия воды в НБ. При этом доказано положение о том, что площадь тюры действующих градиентов напора П(1к) вдоль любой линии тока эавна по величине действующему вдоль рассматриваемой линии тока напору Н, т.е. П(1к) =Н.

Пространственность фильтрационного потока оказывает шачительное влияние на величины выходных градиентов напора (1ВЬП), точное определение которых на основе строгих гидромеханических ре — пений представляет собой сложнейшую, практически неразрешимую (адачу. В связи с этим в работе предлагаются приближенные расчетные твисимости, позволяющие определять величины 1ВЫХ с достаточной для шженерных расчетов точностью. Выявлен факт существенного снижения шачений 1вык при пространственной фильтрации в области сопряжения гдра с береговым склоном, где вместо сплошной линии "фокусов размыва" при плоской фильтрации) величины 1вьи принимают конечные ограниченные значения. Установлено также влияние формы берегового склона на эпюру 1вых.

Для условий пространственное™ справедливы соотношения

1вьп=1/со5Р; 1„=1дР; 1,=1; 1п,,=со8б; 1п_п=1п5т0, (7)

•де 1п и ^—нормальная и касательная составляющие градиента 1ВЫ1 в 1лоскости расчетной криволинейной вертикальной полосы фильтрации; пл и 1П,П-касательная вдоль створа и нормальная к плоскости низовой

грани составляющие градиента 1ВЫХ, впервые введенные в рассмотрение в данной работе. При этом величина 1п>п является основной расчетной величиной при оценке фильтрационной прочности грунта ядра, в частности, на контактный выпор.

Значение угла р между линией тока и низовой гранью расчетной вертикальной полосы находится по формуле:

Г

3 = аг<^

о,1+1 зЬ

где

Нд

у-К

Р = Е +(Е,-Е.) Е = ежР|-[(0,1+1,ЗЦ/Нд)-18Д) - 0,517Нл]2|

(8)

(9)

(10)

в которой ро—значение утла р для линии тока, фильтрующейся по поверхности депрессии и определяемой по формуле:

Р.

.(«■) в 5

(И)

где р5{0) соответствует значению (30 для крайней береговой линии тока и находится по зависимости:

(12)

Рв = 90°-аг€5ш^$таж,СО89)

при значениях а^ угла наклона к горизонту профиля берегового склона в рассматриваемом месте

, 1—1"

а~ агс1д

1

"1 В.

1

г

в"

(13)

определенном в точке высачивания крайней береговой линии тока, т.е. при г=5л.

Значение двугранного угла 0 между расчетной вертикальной полосой фильтрации и низовой гранью находится по формуле:

9 = агОД

1п

(Вв-Ьн)Еа

+0

0,1+1,3^

где Ви и Ьи—полная и текущая значения длины берегового склона.

Значения параметров Е5 в (9) и Еи в (14) подсчитываются по [висимости (10), заменяя, соответственно, угол ро на Р5 и НА на Ви.

Из полученного общего решения для всего поля выходных »адиентов 1вых на низовой грани можно выразить отдельные частные ;шения. В частности, значения 1ВЫХ5 по линии сопряжения низовой >ани с береговым склоном находятся по формуле:

1»**,«= >/созр„. (15)

оскольку значения (3, по (12) всегда меньше 90° , то величины 1вых8 эинимают конечные ограниченные значения и только в ^посредственной близости сопряжения берегового склона с >ризонтальным русловым участком, где р~>90°, переходят в "фокусы )змыва". При этом значения 1вых определяются по формуле для плоской ильтрации

. 1

1.Ы, = —-/ , . .-V . (16)

СОБ

апОД

0,1+1,3 Ц/Н,

/

тчения которой достаточно близко согласуются с данными опытов по етоду ЭГДА и гидромеханического решения Маскета М.

На рис.2,б приведены эпюры 1вых, построенные для различных типов юртаний профилей береговых склонов: I—выпуклого (1 = 0,415); II — эямолинейного (1=1); III —вогнутого (1=2,322). Как видно из рисунка, эреговые ^ склоны выпуклого и прямолинейного профиля более шчительно снижают величины 1вых, чем склоны с вогнутым профилем, ээтому при проектировании ядер следует, по возможности, избегать »ризонтальных участков, так как в них будут возникать повышенные тчения 1вьга,5.

В главе приведены также расчетные зависимости для случаев 1личия. воды в НБ. В этом случае створ плотины разбивается на деловой и береговые подтопленный и неподтопленный участки. Общий ильтрационный расход через ядро определяется как сумма расходов грез русловую часть и области береговых примыканий. Приведены учетные зависимости, полученные на основе анализа строгого решения олубариновой —Кочиной П.Я. и данных моделирования по методу ЭГДА 1Я определения расходов в зонах высачивания и подпора НБ русловой 1сти створа с погрешностью до 3—4%.

Для определения расхода пространственной фильтрации в области эреговых примыканий ядра в результате гидравлического решения с :пользованием метода суперпозиции (наложения течений) получена бедующая расчетная формула

С} = к

ь

(21+1X1+1)

которая в зависимости величины 0 < I < со дает решения для выпуклого вогнутого и прямолинейного створов. Например, для прямолинейног берегового склона (1— 1) из (17) получаем частное решение

д = к в 111 , (18)

л 6Ь

которое совпадает с решением Маллета X. — Пакюанта Ж.

В зависимости от технологии возведения глинистых ядер тело и приобретает анизотропную водопроницаемость, которая оказывает существенное влияние на основные параметры фильтрационного потока ядре, в частности, положение поверхности депрессии повышается боле чем в полтора раза и значительно выполаживается.

Для фильтрационного расчета такого ядра используется метод замены его эквивалентным изотропным ядром с последующим переносо! полученных результатов на первоначально заданный профиль. При это] для определения значений выходных градиентов напора разработана методика, основанная на равенстве расходов через заданное анизотропное эквивалентное изотропное ядра.

В главе также показано, что в зависимости от технологии возведени глинистых ядер, типа уплотняющих механизмов и т.д. грунтовый масси ядра формируется из тонкослоистых чередующихся слоев с различно проницаемостью. При этом эпюра изменений коэффициента фильтраци может иметь прямолинейную, параболическую или скачкообразну! формы. Фильтрационный расчет такого ядра производится путем последовательной замены эквивалентным анизотропным ядром тех же размере и "искаженным" изотропным ядром, результаты решения которого переносятся на первоначально заданный профиль ядра.

Третья глава посвящена разработке на основе гидравлических решений и данных экспериментальных исследований методом ЭГДА и н грунтовом лотке новой методики расчета фильтрации в трапецеидальны ядрах грунтовых плотин с учетом пространственности (рис.3), форм: профилей створа и береговых склонов, наличия или отсутствия воды в Н1 анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости грунта ядра, также напряженно—деформированного состояния плотины. Предлагаема методика расчета основана на делении области фильтрации створа плотины на русловую часть с плоскопараллельной и береговые участки пространственной фильтрациями. Указанные исследования были направлены на решение ряда конкретных прикладных задач: оценит влияние пространственности, а также формы профилей береговы склонов на такие параметры фильтрационного потока, как положение высота линии высачивания поверхности депрессии, выходные градиент напора и фильтрационный расход; разработать новые методы расчет фильтрации в ядре, позволяющие дифференцированно определять величины расходов в зонах высачивания и подпора НБ, а также полны расход через всю область береговых примыканий; определить значена новых физических величин для условий пространственного высачивану потока на низовую грань, а именно, касательной составляющей вдо;

вора (1пд) и нормальной составляющей к плоскости низовой грани ядра , п) выходного градиента напора 1вьи; оценить влияние формы профиля апецеидального ядра на характеристики фильтрационного потока в висимости от технологии укладки глинистых грунтов выявить особен— )сти структуры уплотняемого грунта, придающих ему однородно— (изотропную или переменную (прямолинейную, параболическую, :ачкообразную) проницаемость по высоте слоя и на этой основе пред— ржить методы расчета фильтрации в них; разработать методы фильт— щионного расчета ядер с учетом изменения проницаемости их грунта в »зультате напряженно—деформированного состояния.

При этом рассматривается наиболее общее очертание профиля •вора — горизонтальная русловая часть и береговые склоны, описы — 1емые функциями (1) (рис.1). В виду чрезвычайной сложности точного 1дромеханического решения задачи пространственной фильтрации в запецеидальном ядре в данной главе получены расчетные формулы, созванные на гидравлических решениях и данных моделирования на зунтовом лотке и методом ЭГДА.

На основании анализа результатов 32 опытов по методу ЭГДА, роведенных на электропроводной бумаге с вычленением по линии тока и величением в 2—3 раза верхнего исследуемого фрагмента, получена асчетная формула для определения понижения поверхности депрессии )0) в трапецеидальных ядрах:

ш, + 0,5т211-Ш2}| , (19)

Ьо = 0,8Ь[1 + ш, + 0,5т2(1-ш2)] ,

\е Ь—толщина ядра по УВ ВБ; п^ и ш2 —заложения верховой и низовой раней ядра,-

Для вертикального ядра (т1 = т2 = 0) формула (19) получает вид о=0,8Ь, значения которой практически полностью совпадают с графиком очного решения Полубариновой — Кочиной ПЛ.

Поверхность депрессии и линия высачивания на береговых участках писываются расчетными зависимостями, аналогичными (5).

Общий фильтрационный расход через ядро находится как сумма расходов через русловой и береговые участки. При этом для определения 'дельного расхода на русловом участке область фильтрации ядра делим на ри зоны линиями КР и ОО', как показано на рис.4, достаточно точно :овпадающими с очертаниями линии токов. Расходы через указанные юны q', q" и дц находятся по нижеследующим зависимостям, полученным 1а основе гидравлического решения:

Ч =

ч =

' 0,8Н1е-Ьо1 Ш 1 ^

Ч -о -р

Р

(20)

0,8Н-Ьо- -Ь

V V '«У

Н1 -0,8Нг1о 1 ^ Н-0.8Н,- -Р{ 1п ^ ; (21)

к-Н-Л, . В

Ч„ = -11 Ь — , 22)

В-1 1„

о о о

в которых 1е, 1р, 1„ и В — соответственно длина линий ае (кривой депрессии), кр, о о и дг (подошвы ядра); Н^Н]—Н2 —действующий напор; 8', 5" и 5ц — длины средних живых сечений в вышеуказанных зонах, определяемые как отношение площади области фильтрации к средней длине пути фильтрации.

Аналогичным образом находится расход я и для случая Н2=0. Показаны значительные преимущества в фильтрационном отношении (снижение расхода до 30 — 35%, более равномерное распределение напороЕ и т.д.) ядра с вертикальной верховой гранью по сравнению с ядром с вертикальной низовой гранью.

В данной главе разработан также новый метод определения расхода £ ядре с использованием метода суперпозиции (наложения течений). При этом расход через ядро отыскивается как алгебраическая сумма рас — ходов двух независимых потоков, фильтрующихся, соответственно, из ВЕ в НБ при Н2 = 0 (ч') и из НБ в ВБ при (Н,=0) (я") (рис.3), т.е. я = Для нахождения значений расходов я' и я" заменяем верховой и низовое клинья получающихся областей фильтрации эквивалентными прямоугольниками с значениями, соответственно, равными е^^ Б2Н1; и е*[Н2 е*2Н2. Тогда величина расхода будет равна

'н? нЛ

к 2

V Ц

(23)

где Ь) = Ь + (С] +б2)Н1; 1,2=Ь0 + (е*] + е'2)Н2 , в которых' ^—толщина ядра пс УВ НБ.

Значения коэффициентов Б| ;е2 ;е*1 и е*2 определены на основ< анализа результатов теоретических решений автора (20—22) и др., а такж« многочисленных данных опытов, проведенных по методу ЭГДА:

« = ^ * е2=0г6-Ш^ > (24

1(111,+1,5)

е\ = ; 4 = (0,9+0,5«) ;

а = 1 — т2 + Ь/Н2 (действителен при Н2 > 0).

Сравнение результатов подсчетов по рекомендуемой формуле (23) 1 данными экспериментов по методу ЭГДА для случаев наличия и отсутствия воды в НБ, а также с результатами графоаналитического метод фиктивного течения в области годографа скорости Вайнига В. и Шильде А. дает практически полное совпадение (до 2,6%) для всех профиле] трапецеидальных ядер. Являясь предельно простой по форме, доступной 1 удобной для инженерных расчетов формула (23) может бьггь рекомендована для широкого использования на практике, формула Дюпюи Ж получается как частное из зависимости (23) при значениях гг^ =т2 = 0.

На береговых участках створа линии тока фильтруют через ядро при изменяющейся глубине ВБ Нл. Значение полного расхода Ол пространственного фильтрационного потока находится путем интегрирования удельных расходов, определяемых по формуле (23), т.е.

/.. -.42

- /

в, -в;

О. =

н?

0 Ь+^+^Н,

(н.-н)2

Аъ

(25)

Подставляя в (25) значения НА из (1) и Н — Н[—Н2, интегрируя малой формуле Симпсона и преобразовывая, окончательно получим: /

по

д. = ь

в.

Ш

<Г2

(26)

где

<?, = 0,5 +

0,5 +

2Ь

2Ь2(1-0,5')2

В формулах (25) и (26) Вл и В'л—длины левобережного примыкания ядра, соответственно, по уровням воды ВБ и НБ.

Полученная зависимость (26) для определения расхода <ЭЛ учитывает очертания профиля берегового склона. В частности, при I < 1 она дает решение для выпуклого склона, при I > 1 — для вогнутого, а при 1=1 для прямолинейного берегового склона. Для случая прямолинейного склона (I = 1) для ядра постоянной толщины 1. (т1 = т2=:0) зависимость (26) получает вид:

" " Н|) '

что полностью совпадает с ранее полученной формулой (17), а при отсутствии воды в НБ она принимает вид формулы Маллета X. —Пакюанта Ж. (18). Величина фильтрационного расхода через правобережное примыкание ядра находится аналогичным образом.

Выходные градиенты. На русловом участке значения выходных градиентов напора (1ВЬ1Х) находятся как для плоской задачи. На низовой грани ядра образуется участок высачивания, где значения 1ВЬ1Х по мере приближения к подошве непрерывно возрастают, достигая своего максимума в месте сопряжения с основанием, а при наличии воды в НБ в месте уреза воды.. Для выявления закономерности распределения значений 1вых была проведена серия опытов по методу ЭГДА. На основании анализа их результатов получена аппроксимационная зависимость, достаточно близко (до 5—6%) совпадающая с данными опьггов (рис.5)

In = А^ЦЬ./у) + 0,4) , (28)

где ha—высота высачивания; 0 < у < hB —ордината рассматриваемой точки (при y=h0 следует принять 1„=0); А—опытный коэффициент, равный

А = -р—( . (29)

о,1+1,з(ун)

Максимальное значение градиента 1а отах будет равно

Itt>m„ = А(Д1000 + 0,4) , (зо)

а значения угла ß и полного выходного градиента напора 1вых определяются по формулам:

ß = arclg(ln/sina) ; (31)

1вмх = sinö/cos[acrtg(lB/sinor)j . (32)

Значения 1ВЫХ в зоне подпора НБ находятся по эллиптической зависимости с полуосями равными Н2 и (In max—1ср).

На участках береговых примыканий трапецеидального ядра фильт— рационный поток имеет сложнопространственный трехмерный характер, определяемый формой профиля берегового склона. При этом значения полного выходного градиента напора IBUX и его составляющих определяются по формулам:

= sinOf/cos/? ;

лх '

— sina-tg/? ;

= sin а ; ^ (33)

= I -sin£? :

D.O П

= I -cosö ,

B,t n

в которых а—угол наклона низовой грани ядра; ß—угол, измеряемый в криволинейной плоскости расчетной вертикальной полосы фильтрации между рассматриваемой линией тока и низовой гранью ядра; в—угол между плоскостью расчетной вертикальной полосы фильтрации и низовой гранью ядра в рассматриваемом сечении; Int и Int—впервые введенные расчетные значения нормальной к плоскости низовой грани ядра и касательной вдоль створа плотины составляющие выходного градиента 1ВЬ1Х.

Значения углов ß и 0 для берегового (подтопляемого и неподтоп — ляемого) участков находятся по расчетным зависимостям, аналогичным (8—16) с учетом наклона граней ядра.

Для береговых склонов, имеющих профиль сложного очертания, расчет пространственной фильтрации следует производить путем деления области берегового примыкания ядра на отдельные фрагменты линиями,

исываемыми уравнениями типа (1), как показано на рис.6. При этом щий пространственный фильтрационный расход через область регового примыкания ядра определится по формуле

С2л = @сос1 + О-ЫЛе + бякр ~ @Ъке как алгебраическая сумма расходов отдельных фрагментов, йденных на основе зависимостей (26 — 27).

На рис.6 представлены также эпюры полного выходного градиента пора по подошве ядра 1ВЫХ,5, подсчитанные по предложенным автором висимостям для линии сопряжения ядра с береговым склоном и по оизвольно выбранным сечениям 1 — 1, 2—2 и 3 — 3. Пунктиром на юрах показаны значения 1ВЫХЗ , полученные на основе решения оскопараллельной задачи. Как показывает анализ указанных эпюр, учет юстранственного характера фильтрации позволяет в рассматриваемом учае в 1,4 — 1,6 раз снизить значения 1вых,5 по сравнению с решением оской задачи. При этом указанное снижение более эффективно для >утых склонов, чем для горизонтальных, пологих и подтопленных астков, где влияние пространственности потока практически не .взывается.

Предлагаемый метод расчета позволяет дифференцированно ,1явить на низовой грани ядра области с повышенными значениями 1вых л обоснованного применения в этих местах как более тщательно собранных фильтров, так и других специальных защитных шструктивных мероприятий.

В зависимости от технологии производства работ, типа уплотняющих эханизмов, в процессе эксплуатации и т.д. грунт ядра может принять шзотропные свойства с направлениями главных осей анизотропии х=Кщах и Ку = Кт)П. При расчетах таких ядер справедливо эеобразование Самсьо Л.Ф. по переходу к эквивалентному ккаженному" профилю ядра с параметрами (рис.7):

Ь . Ь га, т2

= - - ; Ь = ; ш = - ; ш = ;

X 3 Я 100 я 200 я

и > = 11 : > = '2 ! к = л/Кж-К_ , \ (34)

1(э) д 2(э) д ср \ * У

№ Х/Ку — коэффициент деформации.

Высота высачивания Ьн , положение поверхности депрессии и рильтрационный расход д в полученном "искаженном" ядре с средненным коэффициентом фильтрации Кср определяются по ранее олученным зависимостям для изотропного ядра с последующим ереносом на первоначальный профиль. Сравнение результатов одсчитанных величин q и Ъв для анизотропного ядра с Х= 16 с опытными начениями гидродинамических сеток, построенных Цедергреном Х.Р. ало достаточно полное совпадение с погрешностью, соответственно, до ,0% и 0.5%. При этом повышение высоты высачивания в анизотропном дре по сравнению с аналогичным изотропным ядром составило около 0% (рис.7).

Для определения значений 1ВЬ1Х для заданного анизотропного ядре разработана методика, основанная на равенстве значений фильтрационных расходов через действительное анизотропное ядро abed равное q и "искаженное" изотропное ядро ab'c'd, равное площади эпюры полных выходных скоростей фильтрации П (VBb,X(jS|) с учетом коэффициента неравномерности распределения удельных расходов пс высоте участка высачивания, равного e = q/i2(VBblX(1S)). Из изложенного следует

V = е-У , У = ч/vLx-Vf ; V = I, К' ;

НЫХ ВЫХ (и) * П * ВЫХ 1 t t у

К = V./k', ; 1вм = Vi+Й = ^in2«+In , ^ (35)

где Vn и Vt — нормальная и касательная составляющие полной выходное скорости фильтрации Vn в анизотропном ядре; It = sina — касательна? составляющая градиента 1вых.

Как показало сравнение (рис.7,в) эпюр 1п, подсчитанных дм анизотропного и изотропного ядер заданного профиля (III и IV), наличие анизотропии приводит к более равномерному распределению градиешш 1П по высоте низовой грани ядра с одновременным повышением участке высачивания до 1,5 раз. При этом значения 1п в верхней половине низовой грани повышаются, а в нижней понижаются до 20% и более.

Аналогичным образом производится расчет пространственно!-1 фильтрации анизотропного ядра в областях береговых примыканий ядра.

В ряде случаев, в зависимости от вида технологии укладки грунта типа уплотняющих механизмов и т.д., а также вследствие сегрегации npi отсыпке грунта, возникновении трещин определенной ориентации и др грунтовый массив ядра складывается из чередующихся слоев с переменной проницаемостью по высоте (прямолинейной, параболической скачкообразной). Для фильтрационного расчета таких ядер используем метод замены заданного ядра анизотропным ядром равного профиля < направлением главных осей анизотропии по горизонтали Кх = Ктш i вертикали Ky = Kmin. При этом в зависимости от изменения Кф по высоте слоя значения Кх и Ку определяются по соответствующим зависимостям Затем, полученное анизотропное ядро заменяется эквивалентным "искаженным" профилем изотропного ядра. После решения задач* вышеуказанным методом полученные результаты переносятся обратно не заданный первоначальный профиль ядра.

В высоких грунтовых плотинах (Н^ > 80—100 м) значительное влияние на физико — механические и фильтрационные параметры грунте оказывает напряженно—деформированное состояние (НДС), вызванное собственным весом грунта плотины и гидростатическим давлением воды Бурное развитие методов исследований НДС плотин на основе деформационной "энергетической" модели грунта, центробежного моделирования и др. дает большие возможности для анализа характера изменения проницаемости грунта по высоте и его влияния на параметры фильтрационного потока в плотине. При фильтрационных расчетах таких плотиь с трапецеидальными ядрами в зависимости от условий изменения Кф грунте

ядра по высоте можно выделить следующие характерные расчетные схемы:

— ядро с параболическим (линейным) изменением Кф грунта по высоте;

—ядро с волнообразным изменением Кф грунта по высоте (наличие "арочного эффекта");

—ядро с узким створом в нижней части (наличие двойного "арочного эффекта").

Ядро с параболическим (линейным) изменением Кф грунта по высоте наблюдается в случаях значительной плановой протяженности грунтовых плотин и относительно одинаковой деформируемости грунтов ядра и упорных призм. В отличии от имеющихся работ в главе дается вывод расчетных формул для трапецеидального ядра с учетом наличия или отсутствия воды в НБ при изменении Кф грунта ядра по наиболее общему параболическому закону

К = К - А-у2 - В у , (36)

где Кг—значение Кф грунта иа УВ ВБ; А и В—параметры, зависящие от характера НДС плотины; у—ордината рассматриваемой точки.

Расход через ядро ц определится по формуле

ч = ч, + ч2 » (3?)

где ч, и Ц2 — расходы в зонах высачивания и подпора НБ, значения которых определяются на основе гидравлического решения

41

К.

н - \с) - л( н'

в

}

II

Ч2 =

2а

Н

Н - ~г!пС -

п

+ ЬМпС

н

Кг-А—2+В-

ч а а/

^.ан/М!.'

Ь+пН 2\ 2 п

ВН,

(38)

,(39)

5 которых п = т1 + т2; Н = Н] — Н2; Ь—толщина ядра по УВ ВБ; С— гараметр, равный С =1+п(Н/Ь).

Из полученных общих зависимостей (37 — 39) следует множество тстных решений. Так, для случаев отсутствия воды в НБ (Н2=0) и равенстве коэффициента В = (КГ—Кп)/Н, получаем решение Недриги В.П.— Токровского Г.И. При А=0 формулы (37 —39)дают решение для случая линейного изменения Кф по высоте ядра, а при А=В = 0 (Ку=Кг) зави — :имости получают вид формул Мелещенко Н.Г. — Павловского Н.Н и \юшои Ж. для однородных ядер переменной и постоянной толщины.

В случаях, когда грунт ядра более сжимаем, чем грунт упорных физм, ядро плотины в результате "арочного эффекта" как бы "зависает" 1а более жестких упорных призмах на глубинах от (0,3—0,4)НГ1Л до (0,55 — >,75)НПЛ. В этой области вследствие сниженных значений вертикальных

сжимающих напряжений оу грунт ядра приобретает большую проницаемость, создавая "волнообразный" характер изменения эпюры Кф грунта по высоте ядра (рис.8).

Величина расхода через такое ядро может быть определена на основе зависимости:

Н

Ч = / К — ¿у . (40)

0 У

В связи со сложностью выражения характера изменения величины Ку по высоте через элементарные функции предложен также более упрощенный метод расчета такого ядра, основанный на делении области фильтрации ядра на характерные зоны по горизонтальным сечениям 1 — 1, 2 — 2 и 3—3, как показано на рис.8. Значения расходов в полученных 4х зонах находятся на основе зависимостей (38 — 40), принимая значение Кф: постоянной равной Кф(1)=Кг (зона 1), по параболической (линейной) зависимости (зона 2), осредленной Кф(3) = Кср (зона 3 "арочного эффекта") и линейной (зона 4). Значение полного расхода через ядро находится как сумма расходов через отдельные зоны.

В некоторых случаях при размещении плотины в створах с сильно сужающейся нижней частью ядро плотины "зависает" как на бортах каньона, так и на боковых призмах, с возникновением двойного "арочного эффекта". В этой области происходит снижение напряжений сту с повышением проницаемости грунта ядра, что создает, сложный волнообразный характер изменения Кф по высоте ядра. Величина фильтрационного расхода через такое ядро может быть определена как на основе зависимости (40), так и по более упрощенному методу путем деления области фильтрации сечениями 1 — 1, 2 — 2 и 3—3 на 4 характерные зоны. Значения расходов в этих зонах находятся на основе зависимостей (38 — 40), принимая значения Кф в зонах по аналогии с предыдущим случаем.

Сравнение полученных аналитических методов расчета с результатами численных решений на ЭВМ Хайруллина З.Э. для некоторых схем ядер с вертикальными гранями при линейном изменении Кф по высоте ядра дало достаточно близкое совпадение результатов: в среднем до 4,0% для расхода в зоне высачивания и до 0,2% для полного расхода через ядро.

Четвертая глава посвящена разработке на основе гидравлико — гидромеханических исследований и данных моделирования по методу ЭГДА новых аналитических методов расчета пространственной и плоской фильтрации в наклонных ядрах и экранах постоянной и переменной толщины с учетом формы профиля створа, наличия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости грунта, а также напряженно—деформированного состояния плотины.

Предлагаемый метод расчета основан на делении области фильтрации створа плотины на русловую часть с плоскопараллельной и береговые участки с пространственной фильтрацией.

Выполненные в данной главе исследования позволили решить ряд прикладных задач: оценить влияние пространственности, а также формы

профилей береговых склонов, на основные параметры фильтрационного потока; разработать новый метод расчета фильтрации в наклонных ядрах (экранах) с дифференцированным определением параметров фильтрации в зонах высачивания и подпора НБ, используя для нахождения выходных градиентов напора в зоне подпора гидромеханическое решение обтекания потоком диафрагмы в полубесконечной ленте; определить значения новых физических величин для пространственной фильтрации: касательной (1пд) вдоль створа и нормальной (1ПП) к плоскости низовой грани наклонного ядра (экрана) составляющих градиента 1вых; разработать метод фильтрационного расчета наклонных ядер (экранов) с неоднородной и переменной проницаемостью грунта, в том числе: однородно — анизотропную, чередующуюся из тонкослоистых грунтов с прямолинейной, параболической и скачкообразной проницаемостями слоя, а также с учетом напряженно— деформированного состояния плотины.

Пространственность фильтрационного потока в наклонных ядрах (экранах) оказывает существенное влияние на параметры фильтрации, и в особенности, на значения выходных градиентов напора. При этом, чем меньше угол наклона ПФУ, а следовательно, чем тоньше его толщина и короче длины линий токов, тем в меньшей мере сказывается пространственность в сравнении с плоскопараллельным потоком. Поэтому, в наклонных ядрах с большим углом наклона ее влияние проявляется в большей мере, чем в экранах, имеющей меньший угол наклона.

На русловом участке с плоскопараллельным движением потока применимы методы фильтрационного расчета, разработанные автором для плоской задачи с использованием гидромеханического и гидравлических решений и опытных данных по методу ЭГДА.

Для определения понижения поверхности депрессии получены следующие формулы при заложениях граней:

где Ь— толщина наклонного ядра (экрана) по УВ ВБ.

Для определения фильтрационного расхода на основании моделирования по методу ЭГДА разделим область фильтрации прямыми линиями МЫ, КР и ИС на 4 фрагмента, как показано на рис.9. Расходы в указанных фрагментах определяются путем интегрирования элементарных расходов фильтрационных струек вдоль длины средних живых сечений их фрагментов:

— (1,0—1,2) £ Ш] > т2

-(3,0-4,0) £ т, > (1,0-1,2 и т, т2 >: (0,35-0,40)

»

(41)

Ь = 0,42

о

(42)

% =

% =

кд2 13-12

0,5 Н,- Т +

1-В

В'

0,5 -Н, -

0,5 Н^Т 1,-1,

В-В' к-2Н Т-0.02-Н)

В'+1г вша

; (44)

(45)

(46)

в которых а — угол наклона низовой грани ядра (экрана); Т — величина, равная:

- при Н2 > 0.02Н, Т, = Н2;

- при Н2 2 0.02Н, Т = 0.02Н,;

1], 12, 1з и В' — соответственно, длины линий ае (кривой депрессии), МГ^, КР и ИС; 81 ,82 и 83 — длина живых сечений соответствующих фрагмен — тов, определяемые как отношения площадей фильтрации к средней длине пути фильтрации.

Полный расход ц находится как сумма ч = +Чг + Чз + Ч4-Сравнение результатов полученных решений с данными экспериментов по методу ЭГДА, проведенных автором, а также заимствованных из работ Цедергрена Х.Р., Аевиса Ю.Г., Миодушевского В. и др. показало достаточно надежное (до 4 — 5%) совпадение результатов как при определении полного расхода, так и его дифференцированных значений в зонах высачивания и подпора НБ. Имеющиеся в настоящее время расчетные зависимости других авторов дают отклонения, соответственно, от 9 до 20% и более.

Для определения значений выходных градиентов напора низовую грань разбиваем на три фрагмента: зону высачивания и зону подпора НБ с интервалами Огуг ( —0,ЗН2) и (—0,ЗН2) ¿у £ (—Н2)(рис.10). В зоне высачивания значения 1ВЫХ "находятся на основе зависимостей (16) и (28) с погрешностью до 5—6%. В зоне подпора НБ при 0 ^ у £ (—0,ЗН2) величины 1ВЬ1Х находятся по зависимости:

I = I

. ('п.тах 'с) ^

1-1+

о,зн

(47)

2/

где значения 1п,тах и 1с определяются в процессе решения рассматриваемой задачи для фрагментов I и III.

В зоне подпора НБ при ( —0,ЗН2) > у > ( — Н2) величины 1вых определяются на основе гидромеханического решения задачи обтекания напорным фильтрационным потоком в полубесконечной ленте шириной 2Ь' непроницаемой диафрагмы (1 (рис. 10) по зависимости:

I

H L'

sh0

(48)

где

2L'sin«

(49)

в которой величина Д находится из условия равенства расходов в зоне III, эпределяемых гидромеханическим и гидравлическим методами.

Значения выходных градиентов напора в точках N(1^) и С(1с) находятся по формулам (48 — 49) при yN= — Н2 и ус= (—0,ЗН2). Сравнение результатов полученных зависимостей с данными экспериментов по методу ЭГДА дало достаточно близкое совпадение (до 5—6%).

На береговых участках створа фильтрационный поток в наклонных ядрах (экранах) имеет пространственный характер, Который проявляется гем в большей степени, чем больше толщина и угол наклона ядра (экрана). При этом положение поверхности депрессии и линия высачивания на низовую грань определяются по зависимостям аналогичным (5—6).

На береговых участках величина фильтрационного расхода Ол определяется путем интегрирования вдоль створа удельных расходов через отдельные зоны области фильтрации наклонного ядра (экрана) (qj1, q2', Яз', q4'), в частности, для левого створа

где удельные расходы и др. являются функциями глубины воды в ВБ Нл, значение которой определяются формой профиля берегового склона и находятся по формуле (1) в зависимости от рассматриваемого 1 —го значения г.

Для более упрощенного определения величины О можно воспользоваться известным методом осреднения напоров на отдельных участках створа.

При пространственной фильтрации в наклонных ядрах (экранах) значение полного выходного градиента напора 1вых в пределах криволинейной плоскости расчетной вертикальной полосы фильтрации имеет составляющие — нормальную 1п и касательную 1( (рис.11). Кроме этого необходимо также учитывать составляющие, направленные по нормали к низовой грани ядра (экрана) и по горизонтали в сторону тальвега русла, адя обозначения которых введем соответствующие символы 1ПП и 1п1 и справедливы расчетные зависимости (33), в которых а—угол наклона низовой грани наклонного ядра (экрана). Значения углов Р и 0 для не— подтопленных и подтопленных береговых участков находятся по расчетным зависимостям аналогичным (8—16) с учетом наклона граней ядра (экрана). Из полученных общих зависимостей следует множество частных решений, например, по нахождению значений 1ЕЫХ 5 вдоль линии

(50)

0

сопряжения низовой грани наклонного ядра (экрана) с поверхностью берегового склона:

= мпа/со»/?, , (51)

где Р5 —угол между линией тока, фильтрующейся по основанию расчетной вертикальной полосы фильтрации и низовой гранью ядра (экрана). В случае плоскопараллельной фильтрации значение > 90° , поэтому величины 1ВЫХЛ по всей линии сопряжения низовой грани с береговым склоном получают бесконечно большие значения (ГВЫХ 5->оо), создавая сплошную линию "фокусов размыва". Это обусловливает необходимость проведения неоправданно дорогостоящих защитных мероприятий не только по линии сопряжения ядра (экрана) с береговым склоном, но и по всей поверхности низовой грани. В случае же учета пространственности потока значения Р3 получают значения менее 90°, а поэтому величины 1ВЬ1Х5 , определяемые по (51), имеют конечные ограниченные значения. В то же время повышенные значения 1ВЫХ5, переходящие в "фокусы размыва" будут наблюдаться в местах сопряжения с горизонтальными участками и по линии УВ НБ, в которых значения р > 90°, где необходимо принимать соответствующие защитные мероприятия.

Фильтрационный расчет наклонных ядер (экранов) из анизотропных грунтов с прямолинейным, параболическим или скачкообразным изменением проницаемости по высоте производится по методике, разработанной для трапецеидальных ядер. Отличительной особенностью для наклонных ядер (экранов) является то, что при замене заданного профиля ядра (экрана) на эквивалентный "искаженный" профиль с использованием преобразования Самсьо А.Ф. заложение низовой грани ш2 наклонного ядра (экрана) остается неизменным (рис.12). При этом значения других "искаженных" эквивалентных параметров ПФУ определяются по формулам:

п в ь в-ъ

В = — ; Ь = ; т.. . = т,4- ----- , (52)

X 9 Л ,(9) I_АН,

где X — коэффициент деформации равный X = ^Кх/Ку .

Как показало сравнение результатов предложенных решений анизотропного наклонного ПФУ с данными опытов по методу ЭГДА для аналогичного профиля изотропного ПФУ высота высачивания повышается до 10,3%, а поверхность депрессии значительно выполаживается (при анизотропии Кх/Ку > 16) (рис.12). При этом величина фильтрационного расхода понижается (до 15,4%), что объясняется искажением траектории фильтрационных струек, удлинением их протяженности и снижением действующего на них напора.

В грунтовых плотинах с наклонным ядром НДС плотины приводит к существенному изменению проницаемости грунта по высоте, что в свою очередь изменяет характер фильтрационного потока в нем. Фильтрационный расчет таких наклонных ядер производится по методике, разработанной для трапецеидальных ядер.

В плотинах же с экраном НДС плотины в относительно не — значительной мере сказывается на изменении физико — механических :войств грунта экрана, при этом отсутствуют также (при т., > 1 — 2) яв — \ение "арочного эффекта". Поэтому фильтрационный расчет таких эк — эанов вполне допустимо вести как однородно—изотропных, либо одно-годно—анизотропных грунтовых массивов.

Вышеизложенное влияние, которое оказывает на характер фильт— эации в наклонных ядрах (экранах) пространственность фильтрационного ютока, а также анизотропная и неоднородная проницаемость его грунта необходимо учитывать при проектировании наклонных ядер и экранов.

Пятая глава посвящена разработке на основе гидромеханического эешения метода фильтрационного расчета ядер грунтовых плотин, со — фяженных с проницаемым (непроницаемым) основанием посредством непроницаемой плиты, диафрагмы, смотровой галереи эллиптического или фугового очертания или их комбинаций. Указанные ПФУ применяют также при пересечении ядром сиЛьнопроницаемых аллювиальных отло — кений, при сопряжении зуба ядра с диафрагмой (стенкой), перекры— тющей фильтрационный поток по основанию и т.д.

При расчете фильтрации в таких ядрах, используя метод фрагментов, Разделим область фильтрации на три расчетные зоны:: I и II — зоны выгачивания и подпора НБ; III —зона влияния галереи (диафрагмы) (рис.13). 1ричем, как показали данные моделирования по методу ЭГДА фильтра — {ионный поток в зоне III можно рассматривать как напорный с зоной 1лияния галереи с диафрагмой h2, равной

(0,70...0,75)Н2> h2 > (2,5...3,0)(d+do) , (53)

де d и dQ —высоты галереи и диафрагмы над подошвой ядра.

Результаты исследований позволили разрешить ряд сложных задач, (тносящихся к области сопряжения ядер с основаниями, таких как: раз — »аботка общей методики фильтрационного расчета, ядер с различными ипами сопряжений с основаниями; гидромеханиеское решение задачи фильтрации для ядра постоянной толщины, сопряженного со смотровой алереей эллиптического или кругового очертания и диафрагмой; разработка методики фильтрационного расчета трапецеидальных ядер при опряжении с смотровой галереей и диафрагмой; оценка влияния наличия алереи (диафрагмы) на величины выходных градиентов напора, фильт— »ационного расхода и т.д.; оценка влияния наличия и местоположения мотровой галереи (диафрагмы) на распределение напоров в ядре и др.

Расчет фильтрации в зонах I и II ведем как для ядра с плоским ос — ованием, совпадающим с линией б —с (рис.13). Для фильтрационного асчета зоны III исиользуем гидромеханический метод для напорного отока с применением функции комплексного переменного (конформных тображений). При решении задачи фильтрации в полубесконечной ленте полуэллиптической галереей и диафрагмой разработан новый прием оследовательных конформных отображений сложных областей с осевым имметричным вырезом (рис.14). В результате проведенных 7 последова — ельных конформных отображений получена функция комплексного по — енциала W, имеющая следующий окончательный вид:

ui

W = --arccos-

K

± + Ь' - а1 - а «п(яг, /l) г + гг

ь1-»1

2pi"|-(p,+4|)J ±b>/»in'(?rZl/L) + b' - а' - а . md(^Z,/L) г + f*

Ь2-а'

где a, b, p|, П] и f—параметры промежуточных областей комплексного переменного, местоположения которых показано на рис.14.

Полученная зависимость (64) является общим решением задачи фильтрации в зоне 111 ядра со смотровой галереей эллиптического или кругового очертания с диафрагмой на гребне высотой dc, расположенном как на непроницаемом основании (плите), так и на проницаемом основании с различными длинами непроницаемой плиты t( и t2 , Из данного решения следуют многочисленные частные решения для большого количества сочетаний различных конструктивных схем смотровой галереи, непроницаемой плиты и диафрагмы. При этом определяются все необходимые параметры фильтрационного потока (напоры, расходы, градиенты напора, скорости фильтрации) в любой заданной точке области фильтрации. Например, полученные зависимости полностью совпали для ряда частных случаев с отдельными известными решениями, в том числе с результатами строго гидромеханического решения проф. Недриги В.П. для обходной фильтрации с береговой шпорой, гидравлическим решением акад. Павловского H.H.. для напорного потока через ядро постоянной толщины. Сравнение результатов полученного решения с данными опытов по методу ЭГДА дало практически полное, совпадение.

Разработана также методика фильтрационного расчета трапецеидальных ядер со смотровой галереей и диафрагмой в месте сопряжения с основанием, основанная на делении всей области фильтрации на отдельные зоны. При этом, трапецеидальный профиль зоны III приводится к прямоугольному путем замены верхового и низового клиньев эквивалентными прямоугольниками. Полученные результаты достаточно близко совпадают с экспериментальными данными по методу ЭГДА: расходы —до 2,4%, выходные градиенты напора —до 6—7%.

Выполненные исследования показали также, что наличие галереи в ядре снижает величины градиентов 1п в зоне высачивания и подпора НБ, соответственно, до 10— 15% и 22 — 35%, а фильтрационный расход в зоне III снижается до 16%. Кроме этого смотровая галерея (диафрагма) оказывает значительное влияние на распределение напоров по всему профилю ядра за счет смещения линии равных напоров в сторону ВБ на величину равную до 0,05Н. Указанное улучшает работу ядра за счет более равномерного гашения напора по всему профилю ядра и снижения величин выходных градиентов напора по низовой грани. Расположение галереи (диафрагмы) несколько смещенной от оси ядра в сторону ВБ еще более улучшит работу ядра в фильтрационном отношении, так как при этом происходит как бы дополнительное оттягивание линии равных напоров в сторону ВБ. Расположение же галереи (диафрагмы) смещенной от оси ядра в сторону НБ не может быть рекомендовано, так как при этом

ухудшается работа ядра за счет большей концентрации линии равных напоров в низовой стороне ядра. При этом последняя попадает в условия сильнонапряженной работы, в то время как верховая сторона ядра остается относительно недогруженной, а поэтому малоэффективной в эксплуатации.

Шестая глава диссертации посвящена разработке на основе гидравлике — гидромеханических и экспериментальных исследований новых методов расчета пространственной и плоской фильтрации в грунтовых плотинах с различными типами дренажей (наслонным, пластовым, ленточным, трубчатым, с дренажной призмой) с учетом формы профиля створа плотины и береговых склонов, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости грунта плотины.

Фильтрационный расчет таких плотин ведем путем деления створа плотины на горизонтальную русловую часть с плоскопараллельной и береговые участки с пространственной фильтрациями. Выполненные в данной главе исследования осуществлены для решения следующего ряда задач: усовершенствование методов расчета плоской фильтрации в грунтовых плотинах с различными типами дренажей с получением расчетных зависимостей для определения расходов, высоты участка вы — сачивания и положения поверхности депрессии, выходных градиентов напора; разработка гидравлико—гидромеханического метода построения гидродинамической сетки в однородной грунтовой плотине; получение единой универсальной формулы для определения фильтрационного расхода для грунтовых плотин со всеми типами дренажей и различными заложениями откосов; получение расчетных формул по определению глубины заведения начала дренажа с учетом промерзания низового откоса; получение расчетных зависимостей по определению ширины ЛЬ эквивалентного верховому клину плотины прямоугольника, учитывающего ширину плотины; оценка влияния на расход фильтрации через плотину изменений заложения верхового откоса, ширины плотины; разработка метода расчета пространственной фильтрации на береговых участках створа плотины, а также усовершенствование методов расчета плотин из анизотропных и чередующихся тонкослоистых грунтов.

На русловых участках плотин, расположенных в створах с значительной протяженностью и малоизменяющейся глубиной, ограждающих дамбах каналов в насыпи (полунасыпи), наблюдаются в основном плоскопараллельное течение фильтрующей жидкости. На участках же береговых примыканий плотин, а также в узких створах, фильтрационный поток имеет сложный пространственный характер, обусловленный дренирующим влиянием русла реки и представляет собой трехмерную задачу (рис.15).

На основе использования отдельных результатов гидромеханического решения Нумерова С.Н. задачи фильтрации в грунтовой плотине с пластовым дренажем получена зависимость для определения величины эквивалентного прямоугольника ЛЬ, учитывающего ширину плотины. При этом также установлено, что (рис.16):

— увеличение заложения верхового откоса более Ш[ > (2 — 3), практически не приводит к снижению значения фильтрационного расхода q;

— наиболее эффективное снижение величины q происходит при увеличении относительной ширины плотины L/H до значений L/H = 7 — 8;

— заложение верхового откоса т, оказывает наибольшее влияние на величину расхода при значениях L/H <4—6. Для более широких плотин изменение п^ практически не сказывается на величине расхода q.

В настоящее время при фильтрационных расчетах грунтовых плотин получил большое распространение метод, основанный на замене верхового клина эквивалентным прямоугольником и делении полученной области фильтрации на два фрагмента: верховой и низовой. Раздельное сечение, проходящее через точку высачивания кривой депрессии, принималось предыдущими исследователями для верхового фрагмента, как правило, вертикальным, а для низового—либо вертикальным, либо наклонным или по кривой. Однако, такое разделение фрагментов в одних случаях существенно отличается от очертания фактической линии равного напора, а в других — являясь несмежной границей между фрагментами (вертикальной для верхового и наклонной или по кривой для низового) нарушает условие неразрывности потока. Кроме того, линии тока в низовом фрагменте принимались горизонтальными (или с каким—то постоянным уклоном) между тем как на самом деле они непрерывно изменяют свое направление от горизонтального до тангенциального к низовому откосу. Предлагаемый в главе новый гидравлико — гидромеханический метод позволяет восполнить указанньш пробелы. При этом расход в верховом фрагменте определяется по методу Угинчуса А.А.

q = k(H-h„) ^ , (55)

СР

где Н— действующий" напор; hB— высота высачивания; 5ср и 1ср — соответственно, средние длины живого сечения и линий токов области фильтрации.

Для низового клина с учетом непрерывного изменения направлений, протяженности и толщины линий токов, а также действующих на них напоров, получено гидравлическое решение в виде сложной громоздкой зависимости, которая аппроксимирована более простой формулой:

kh.

4 = / • (56) ^/Зп12(Ш1+0,4)+0,4

где ш2 — заложение низового откоса плотины.

Значения формулы (56) практически полностью совпадают при 0 < ш2 <1 с результатами точного решения Михайлова Г.К. задачи фильтрации воды из бесконечности к наклонному откосу, при т2 >1— с экспериментальными данными Олейника А.Я., полученными по методу ЭГДА, а при т2 = 0 с результатами точного решения Полубариновой — Кочиной П.Я. для перемычки при L/H > 1. В результате совместного решения уравнений (55) и (56) определяются неизвестные q и hB.

В данной главе также разработан новый простой и эффективный метод фильтрационного расчета плотин с приведением трапецеидального профиля к эквивалентной перемычке и использованием метода наложения течений (суперпозиции), в результате чего получена единая универсальная формула (рис.15):

Ч =

к|Н| Нг]

■Де

21 и

= Ь+(е1+е2)Н1 ;Ь2 = Ьо+(е\+£^Нг

1%.

(57)

ш, 1,5+0,8'

£\ =

3,75^Ш|+1,2

«2

= га.

1 + 1 + + 1,1

н

(58)

(59)

:*1 и е"2 находятся по формулам (58) и (59), заменяя в них Н] на Н2; п^ на п2; ш2 на Ш],' Ь на Ь0 и Ь на V, в которых Ь и Ц, —толщины плотины, :оответственно, по уровням воды ВБ и НБ; 1 и Ь* —расстояния от УВ ВБ до юдошвы низового откоса и от УВ НБ до подошвы верхового откоса.

Следует отметить, что формула (57) характеризуется универсальной областью применения для плотин с различными типами дренажей, ключая намывные плотины, шламонакопители и хвостохранилища с есьма пологим (горизонтальным) верховым откосом (гп [—>«)), а также ядра [ перемычки (рис.17). Сравнения ее результатов с данными гидродина — [ических сеток и точных решений дают надежное совпадение с средне — рифметическим отклонением ( + 0,7%) при абсолютном +5 — 7%, а для еремычек (гП] = т2=0) она преобразуется в формулу Дюпюи Ж. с очными результатами.

Имеющиеся в настоящее время расчетные зависимости дают, в ряде лучаев, значительные погрешности (до 10 —15% и более) и поэтому могут меть только ограниченные области применения.

Для построения поверхности депрессии в грунтовой плотине поучено уравнение:

у, = д|Н| - (х140,5£1н1)

Н?-Ь?

(60)

Ь-Ь1ш2+0,5^|Н1

котором при значениях XI < 0,5 С|Н| величину 0,5с|Н, следует заменять временной Х|; X] и у!—текущие координаты по рис.15. По уравнению >0) кривая депрессии плавно сопрягается с УВ ВБ, что позволяет отка — 1Ться от широко распространенного искусственного приема визуального эрисовывания "от руки" кривой депрессии при сопряжении с ВБ. Ве —

1

личина Ь] в (60) означает высоту точки высачивания над подошвой нлотины и равна:

при Н2 = 0 Ь, = Ь„ = 3 з/Зш2(ш2+0,4)+0,4 ; (61)

к *

при Н2>0 Ь, = Н2 + --К-- , (62)

1+Н2/Ьв

где Ьв° и Ьв' — фиктивные значения Ьп , подсчитываемые по (61), соответственно, при фактическом значении расхода д (с учетом наличия воды в НБ) и расходе через плотину с непроницаемой подошвой на УВ НБ.

Определение значений действующих напоров и градиентов напора в теле плотины относится к одним их наиболее сложных задач фильтрационных расчетов. Использование строгих гидромеханических методов для этого приводит к чрезвычайно сложным математическим трудностям. В связи с этим в главе разработан приближенный гидравлике — гидромеханический метод, основанный на анализе построенных гидродинамических сеток в плотине, данных моделирования по методу ЭГДА и результатах гидромеханического решения Маскета М. задачи обтекания потенциальным потоком угловой области. Указанный метод позволяет в конечном итоге построить гидродинамическую сетку в плотине. Сравнение очертаний депрессионной кривой, линии равных напоров, эпюр напоров и градиентов напора по подошве, а также эпюр выходных градиентов напора, построенных по предлагаемой методике, с экспериментальными данными Маскета М., полученными по методу ЭГДА, дало практически полное совпадение (рис.18).

Анализ расположения эквипотенциалей в области" фильтрации показывает, что около 80% напора гасится в низовой половине тела плотины, т.е. в 4 раза больше, чем в верховой. В то же время значения градиентов напора здесь в 2,5 — 3,0 и более раз превышают эти величины в верховой половине. Указанное свидетельствует о более напряженном режиме работы низовой половины плотины в отношении фильтрации и обусловливает необходимость более тщательного и качественного выполнения работ в этой области.

В данной главе приведены также расчетные зависимости по фильтрационному расчету грунтовых плотин с различными типами дренажа. В частности, формула для определения величины заглубления начала дренажа (точки А) в тело плотины от подошвы низового откоса плотины при наличии дренажной призмы из условия недопущения попадания кривой депрессии в зону промерзания низового откоса имеет вид:

'л-5

-.'-■ -I'.--) -Г

япа вша/

+

(ш2+шдр)Н2 , (63) где 10 — расстояние между верховой гранью эквивалентного прямоуголь —

ника и подошвой низового откоса плотины с углом наклона а; тдр —

¡аложение верхового откоса дренажной призмы; а—расчетная глубина ■фомерзания грунта.

Для грунтовых плотин с пластовым, ленточным или трубчатым дренажем в формуле (63) нужно принять Н2 = 0.

Фильтрация в области береговых участков створа имеет сложный пространственный характер, обусловленный искривлением линий токов как по вертикальным, так и по горизонтальным сечениям, изменением действующего на них напора. При этом величина фильтрационного расхода через область береговых примыканий определяется по формуле (26), в которую значения Ь], Ь2, е|, е2, е*] и с'2 подставляются из формул (57 — 59).

Очертания склонов оказывают большое влияние на положение поверхности депрессии. В широких створах линии тока поверхности депрессии, имея наибольшее пространственное искривление у берегов, постепенно выпрямляются и на русловом участке соответствуют условиям плоской задачи. В узких же створах В„ < 0,5(5пр 4- Эл) взаимодействие депрессии противоположных берегов ведет к общему повышению их уровней в центральной части на величину эффекта взаимовлияния Д, значение которого находится по методу наложения течений.

Сравнение результатов расчета высоты высачивания по предлагаемой методике с экспериментальными данными Теплова В.Ф., выполненными на объемной модели по методу ЭГДА для однородной грунтовой плотины, расположенной в симметричном трапецеидальном каньоне, показало практически полное совпадение с погрешностью 0,9%. На рис.19 приведены линии высачивания для плоской (3 и 4) и пространственной (1 и 2) задач в плотине расположенной в симметричном створе (Во=0) с вогнутыми I (1 = 2,060) и выпуклыми II (1=0,474) береговыми склонами. Как видно, параметры пространственной фильтрации существенно отличаются от результатов решений плоской задачи, не учитывающей подъем депрессии в центральной части и снижение ее у берегов.

При возведении и эксплуатации грунтовых плотин в зависимости от технологии ведения работ, типа уплотняющих механизмов и т.д., грунт плотины может стать как однородно—анизотропным, так и чередующимся из тонкослоистых пластов с переменной (прямолинейной, параболической или скачкообразной) проницаемостью по высоте. Указанное оказывает существенное влияние на основные параметры фильтрационного потока в плотине. В главе приведены также методы расчета таких плотин, сравнение результатов подсчета по которым с опытными гидродинамическими сетками Цедергрена Х.Р. дало достаточно близкое совпадение (рис.20). Следует отметить, что при коэффициенте анизотропии (Кх=9Ку) величина расхода по сравнению с изотропной плотиной (Кх=Ку) увеличивается в 6,74 раза, а рабочая часть дренажа увеличивается в десятки раз. Указанное свидетельствует о значительном влиянии анизотропии на параметры фильтрации и необходимости учета этого фактора при проектировании плотин. При этом с фильтрационной точки зрения, в ряде случаев, более выгодно получить однородно — изотрошгую плотину из более проницаемого грунта, чем анизотропную из менее проницаемого грунта.

Фильтрационный расчет неоднородных земляных плотин, имеющих в своем составе ПФУ в виде глинистого ядра или экрана, шпунтовый (или другой) стенки и др. производится путем приведения их профилей к фиктивному эквивалентному профилю с помощью известного виртуального метода акад. Павловского H.H. Дальнейший расчет ведется как для однородной плотины, а полученные результаты переносятся на первоначально заданный профиль.

В сельмой главе приведены рекомендации по проектированию и строительству грунтовых плотин, совершенствованию и разработке новых конструкций их ПФУ и водопропускных сооружений, выбору наиболее эффективных и рациональных форм и типов, обеспечивающих надежную работу всего сооружения.

Особенностью данной главы является то, что здесь приведены характеристики по основным типам ПФУ грунтовых плотин, даны рекомендации по выбору рациональных и эффективных их конструкции, способов сопряжения с непроницаемыми и проницаемыми основаниями, а также методам их расчетного обоснования с учетом пространственной фильтрации, анизотропной и неоднородной проницаемости их грунтов.

Выполненные исследования позволили совершенствовать и разработать ряд новых конструкций ПФУ грунтовых плотин, в том числе: ПФУ с диафрагмой в месте сопряжения низовой грани с непроницаемым основанием; ПФУ с диафрагмой и пластовым дренажем; ПФУ с "заостренным" зубом; ПФУ с зубом и пластовым дренажем; грунтовую плотину с противоразмывным устройством; ПФУ с несуффозийонным блоком; грунтовая плотина на проницаемом основании с диафрагмой грунтовая плотина с "мерзлым" ПФУ; грунтовая плотина с дифференцированной системой контроля фильтрации через ПФУ, а также ряд водопропускных сооружений при грунтовых плотинах.

ПФУ с диафрагмой в месте сопряжения низовой грани с основанием отличается тем, что угол между непроницаемой диафрагмой и низовок гранью 6 имеет значение 90° > 8 < а, где а—угол наклона низовой граш ПФУ. При этом за счет переориентации фильтрационного потока в низовой части ПФУ происходит уменьшение значений угла ß в формуле 1вьп =sina/cosß, что ведет к снижению значений 1вых. При использование данного предложения применительно к ядру Рогунской плотины указанное снижение, как показали опыты по методу ЭГДА, составило более трех ра; (рис.21) (A.C. 1521808).

ПФУ с диафрагмой и пластовым дренажем характеризуется тем, чтс пластовый дренаж устраивается в концевой части подошвы ядра, а непроницаемая диафрагма, присоединена к месту контакта последнего < водоупорным элементом. Предлагаемая конструкция позволяет снизил величины средних и выходных градиентов напора за счет удлинения пуп фильтрации и преимущественно вертикальной переориентации потока Как показали опыты по методу ЭГДА указанное снижение значений 1вьс для ядра Рогунской плотины составило более 3 (A.C. 1214826).

ПФУ с "заостренным" зубом позволяет повысить надежность работь плотины за счет снижения значений 1аых, что составило по сравнению <

>азовым вариантом (по данным метода ЭГДА) до 2х раз (рис.22) (A.C. 361235). Аналогичным образом работает и ПФУ с зубом и пластовым фенажем, в котором снижение значений 1ВЬПС составило до 1,5 раз (рис.23) A.C. 1242561).

Разработана также конструкция грунтовой плотины с противораз— мывным устройством для предотвращения размыва грунта ПФУ по попе — )ечным трещинам, возникающим в пригребневой зоне (рис.24) (патент 1792464). В конструкции ПФУ с несуффозийонным блоком предусмат— швается укладка в местах повышенных значений 1ВЬ1Х несуффозийонного 5лока с проницаемостью ориентированной на проницаемость грунта ПФУ рис.25). Указанное повышает надежность работы сооружения за счет федотвращения развития возможных опасных фильтрационных деформаций грунта ПФУ (A.C. 1537745). Для грунтовой плотины, расположенной ia проницаемом основании, разработана конструкция сопряжения ПФУ >снования в виде непроницаемой диафрагмы путем наклона верховой гасти последней в сторону НБ (рис.26). Указанное значительно снижает !еличины выходных скоростей фильтрации в проницаемое основание, :нижая таким образом возможность развития фильтрационных деформаций грунта плотины (A.C. 1518554).

В работе разработана также конструкция холодильного устройства 1дя создания "мерзлых" ПФУ грунтовых плотин, основанного на исполь — ювании в качестве хладагента холодного воздуха средних и верхних слоев тропосферы (патент 2074343). Разработана также конструкция грунтовой 1лотины с дифференцированной системой контроля фильтрации, яслючающая поярусно установленные непроницаемые диафрагмы с фенажными коллекторами, которые позволяют дифференцированно отслеживать изменения параметров профильтровавшейся жидкости, свое — феменно определять начало и место нарушения целостности ПФУ (рис.27) полож.реш. 94041295).

В диссертации разработано также много других конструкций ПФУ, >беспечивающих повышение надежности работы как самой грунтовой iAOTHHbit так и водопропускных сооружений, связанных с ней.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Плотины из грунтовых материалов в последние десятилетия побили чрезвычайно большое развитие в практике отечественного и за — >убежного плотиностроения. Это обусловлено их высокой экономичностью, сокращением количества привозных материалов, возмож — юстью широкого использования местных грунтов полезных выемок, что >собенно важно для отдаленных и труднодоступных районов, высокой ■ехнологичностью и механизацией работ, большими научными дости — кениями в области механики грунтов и фильтрационных расчетов плотин, ¡озможностью строительства в районах с тяжелейшими инженерно — еологическими, сейсмическими и климатическими условиями. При фоектировании и строительстве грунтовых плотин одной из важнейших адач является борьба с фильтрацией в теле плотины и возможными ее [егативными проявлениями путем создания рациональных конструкций

противофильтрационных устройств (ПФУ), обеспечивающих надежную работу всего сооружения. Однако, как свидетельствует опыт мирового плотиностроения, до настоящего времени имеются факты повреждений ПФУ, что приводит к серьезнейшим нарушениям' нормальной работы всего сооружения, а в ряде случаев, и к катастрофическим разрушениям.

В связи с изложенным актуальнейшее значение приобретают вопросы разработки новых усовершенствованных и надежных конструкций ПФУ, способов сопряжения с основаниями и методов их расчетного обоснования, в частности, фильтрационных расчетов. При этом необходимо учитывать конструктивные особенности ПФУ и инженерно — геологические условия створа гидроузла, напряженно—деформированное состояние плотины и пространственный характер фильтрации в ней, анизотропную и неоднородную проницаемость грунта ПФУ и сопряжение его со смотровыми галереями и противофильтрационными диафрагмами (стенками) оснований.

Выполненные в данной работе исследования позволили разрешить в определенной степени указанные пробелы и предложить новые усовершенствованные конструкции ПФУ- грунтовых плотин и методы их расчетного обоснования с учетом вышеизложенных требований.

2. На основе анализа отечественного и зарубежного плотиностроения выявлены наиболее характерные типы противофильтрационных и дренажных устройств грунтовых плотин, способы сопряжения с основаниями, технологии и методы их возведения, выполнен критический анализ имеющихся методов фильтрационного расчета и новейших конструктивных разработок ПФУ плотин из грунтовых материалов, определены наиболее общие профили створов плотин, получена единая расчетная формула (2.1) для описания характерных профилей береговых склонов (выпуклого, вогнутого, прямолинейного).

3. Характер движения фильтрационного потока в плотинах в определяющей степени зависит от формы профиля створа. В частности, в широких створах пространственный характер фильтрации наблюдается в основном в области береговых примыканий, а на горизонтальном русловом участке сохраняется плоскопараллельная фильтрация. В узких же створах фильтрационный поток в грунтовых плотинах приобретает чрезвычайно сложный пространственный характер, в результате которого линии тока изгибаются одновременно как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, получая направление в сторону тальвега русла. При этом происходит взаимоналожение фильтрационных потоков противоположных береговых склонов, что ведет к общему повышению положения депрессионной поверхности в них. В случае выпуклых склонов происходит более значительное повышение поверхности депрессии по сравнению с прямолинейными и вогнутыми склонами.

4. На основании анализа результатов имеющихся теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором на грунтовом лотке и на установке ЭГДА, разработана методика расчета и получены расчетные формулы для определения всех необходимых параметров пространственного фильтрационного потока в вертикальных и наклонных

1ФУ постоянной и переменной толщины и однородных грунтовых пло — инах с различными типами дренажей, таких как фильтрационный расход, оложение депрессионной поверхности и высота участка высачивания, начения выходных градиентов напора, при наличии или отсутствии воды НБ в створах с различными очертаниями береговых склонов. Предло — сена также методика для расчета пространственной фильтрации в вербовых склонах со сложноломанными очертаниями.

5. Впервые даны расчетные зависимости для определения новых араметров пространственного фильтрационного потока в ПФУ грунтовых лотин, таких как нормальная (1пп) к плоскости низовой грани ПФУ и асательная (1п1) по створу ядра составляющие полного выходного гра — иента напора 1вьа. Обосновывается физическое значение важности и «ачимости учета указанных параметров при расчете фильтрационной рочности грунта ПФУ, в частности, на контактный выпор.

6. В результате проведения теоретических исследований установлен •акт значительного снижения при пространственной фильтрации качений выходных градиентов напора (1вых) в области береговых при— ыканий ПФУ грунтовых плотин, в особенности, в месте их сопряжения с епроницаемым основанием. Причем на крутых участках происходит элее интенсивное их снижение, а на пологих—менее значительное.

7. Расчет пространственного фильтрационного потока по расчетным шисимостям, отвечающим условиям плоскопараллельной фильтрации, ожет привести, в зависимости от формы профиля створа плотины, к гачительным погрешностям при определении положения депрессионной эверхности, подсчете значений 1йих и фильтрационного расхода (до 20%).

8. Разработан единый метод гидравлического решения для опреде — шия фильтрационного расхода в вертикальных и наклонных ПФУ пло — 1н, имеющих постоянную или переменную толщину с учетом наличия ш отсутствия воды в НБ. На основании теоретических и эксперимен — [Льных исследований предложены также расчетные зависимости для феделения высоты высачивания и значений выходных градиентов шора для указанных ПФУ, дающие достаточно близкое совпадение с ¡иными опытов по методу ЭГДА и точных решений. Показаны ичительные преимущества в фильтрационном отношении конструкции ,ра с вертикальной верховой гранью по сравнению с ядром с вертельной низовой гранью, выражающиеся в снижении величины фильт— ционного расхода (до 30 — 35%), более равномерном распределении поров и равнонагруженности всего профиля ядра.

9. На основании гидравлического решения с применением метода ложения течений (суперпозиции) получена единая универсальная >рмула (57) (со среднеарифметическим отклонением +0,7%) для опре — ления фильтрационного расхода в однородных грунтовых плотинах с зличными типами дренажей (вертикальным, наслонным, пластовым, нточным, трубчатым, дренажной призмой и др.) при заложениях вер — вого откоса в интервале 0 5 пц ^ °о и трапецеидальных ядер с учетом личия или отсутствия воды в НБ. Кроме этого, получены также счетные зависимости для указанных плотин для нахождения высоты

участка высачивания и построения депрессионной поверхности достаточно точно совпадающие с данными построенныэ гидродинамических сеток и строгих решений. В результате анализе гидромеханического решения Нумерова С.Н. установлена взаимосвяз! величины эквивалентного прямоугольника AL от ширины плотины i предложены расчетные формулы, учитывающие этот фактор Предложены также расчетные зависимости, полученные гидравлико -гидромеханическим методом решения, для построенш гидродинамической сетки в однородной грунтовой плотине и нахожденш необходимых параметров фильтрационного потока в ней (расхода, высоть высачивания и положения поверхности депрессии, действующих напорон и градиентов напора). Доказано положение о равенстве площади эпюрь градиентов напора, действующих вдоль любой линии тока, величин« напора, действующего на данную линию тока.

10. Гидравлическим методом получена расчетная формула (63) ДЛ5 определения необходимого заглубления начала дренажного устройстве (пластового, ленточного, трубчатого, дренажной призмы) в тело плотинъ из условия недопущения попадания области фильтрации, ограниченно! депрессионной поверхностью, в зону возможного промерзания грунта сс стороны низового откоса.

11. На основе использования методов теории функции комплексной переменного с применением конформных отображений впервые разработан метод гидромеханического решения задачи фильтрации в ядр( при наличии в месте сопряжения с проницаемым основанием смотрово; галереи (эллиптической или круговой) с диафрагмой, либо вертикально! диафрагмы с плитой, либо непроницаемой плиты различной ширины. Пр1 этом разработан новый эффективный прием последовательны; конформных отображений сложных областей с осевым вырезом Полученное решение совпадает для ряда частных случаев с известным! решениями, например, с гидромеханическим решением проф. Недрип В.П. для обходной фильтрации через земляную плотину с берегово! шпорой и с. гидравлическим решением акад. Павловского H.H. дл) подтопленной зоны ядра постоянной толщины на непроницаемо» основании и т.д.

12. Показано, что наличие смотровой галереи (диафрагмы) снижав-величины 1вых в зонах высачивания и подпора НБ ядра, соответственно до 15% и 35%, а также величину расхода в области сопряжения ядра < основанием до 16%. При этом линии равных напоров в ядре нескольк< "оттягиваются" (до 0,05Н) в сторону ВБ, что улучшает работу ядра за сче' более равномерного гашения напора по всему профилю ядра. Смещени< смотровой галереи (диафрагмы) в сторону ВБ дополнительно улучшав' работу ядра в фильтрационном отношении, а в сторону НБ —наоборот ухудшает работу ядра. В гребневой части галереи происходит сгущени( действующих градиентов напора, что подтверждается также данным1 натурных наблюдений в смотровой галерее ядра Чарвакской плотины.

13. Усовершенствован метод фильтрационного расчета наклонны: ядер (экранов), позволяющий достаточно точно и дифференцирован! определять параметры фильтрации в зонах высачивания и подпора НЕ При этом для определения значений 1вых в зоне подпора НБ впервые дат

аналитическое решение на основе гидромеханического решения задачи обтекания напорным потоком диафрагмы в полубесконечной ленте.

14. Установлены особенности влияния технологии возведения ПФУ плотин, типа применяемых уплотняющих механизмов, количества проходов их по одному следу и т.д. на характер проницаемости уплотняемого слоя связных грунтов ПФУ. На основании этого оценена возникающая анизотропная проницаемость массива грунта из чередующихся тонко — слоистых пластов. При этом уплотняемый слой грунта приобретает различную проницаемость по высоте: прямолинейную, параболическую и скачкообразную. В работе приведены расчетные зависимости для определения параметров фильтрации вертикальных и наклонных ПФУ, а также однородных грунтовых плотин с учетом этих факторов.

15. Анизотропная проницаемость грунта, обусловленная в том числе и чередующимися тонкослоистыми пластами, оказывает существенное влияние на основные параметры фильтрационного потока в ПФУ плотин. В частности, высота высачивания повышается до полутора и более раз, значительно выполаживается депрессионная поверхность, насыщая водой низовой откос однородных плотин, что снижает устойчивость откоса и фильтрационную прочность грунта. В связи с изложенным оказывается более выгодным, с точки зрения понижения поверхности депрессии и повышения устойчивости откосов, строительство плотин из более проницаемого, но однородного грунта, нежели из менее проницаемого анизотропного грунта. Указанные факторы необходимо учитывать при проектировании грунтовых плотин, и, в особенности, дренажных устройств.

16. Проведен анализ влияния напряженно—деформированного состояния сооружения на характер проницаемости фунтов в различных областях ПФУ плотин. В результате предложена методика фильтрационного расчета ПФУ таких грунтовых плотин, основанная на интегральном определении удельных расходов дифференцированных для отдельных зон с различной проницаемостью грунта при наличии "арочного эффекта", двойного "арочного эффекта" и без таковых.

17. Разработаны новые усовершенствованные рациональные конструкции ПФУ грунтовых плотин, обеспечивающие надежную работу сооружения и снижение ее материалоемкости, в том числе за счет: снижения значений средних и выходных градиентов напора в ядрах (экранах) и в местах сопряжений плотин с ПФУ проницаемых оснований; устройства несуффозийоного блока для нейтрализации повышенных значений 1вых в зонах "фокусов размыва"; предотвращения размыва грунта ПФУ по трещинам в пригребневой зоне грунтовых плотин; создания "мерзлого" ПФУ плотины; дифференцированного определения фильтрационного расхода через ПФУ плотины; снижения вероятности повреждения грунтовой плотины переливом воды ВБ через гребень за счет повышения надежности поверхностных и глубинных водопропускных сооружений гидроузла и т.д.

Техническая новизна разработанных новых рациональных и надежных конструкций ПФУ грунтовых плотин подтверждена 14 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Техническая новизна разработанных новых рациональных и надежных конструкций ПФУ грунтовых плотин подтверждена 14 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Предложенные автором новые рациональные конструкции ПФУ грунтовых плотин и - методы их фильтрационного расчета нашли применение на практике, в частности, при проектировании каменно — земляной плотины Терско — Малкинского гидроузла; целого ряда внутрисистемных мелиоративных и берегоукрепительных сооружений на территории КБР; переданы в проектные и научно — производственные организации Северного Кавказа; приняты к использованию в нормативном справочнике "Гидротехнические сооружения" (в печати); внедрены в методическую литературу и учебный процесс Российского Университета Дружбы народов, Новочеркасской Государственной мелиоративной Академии, Кабардино-Балкарской Государственной с/х Академии и др. учебные заведения; двум методическим разработкам по курсовому проектированию и лабораторно —практическим работам присвоен гриф "Для межвузовского использования". Отдельные материалы выполненной работы были представлены на ВДНХ СССР и отмечены Серебряной медалью. Основные результаты диссертации были опубликованы в центральной печати и ведомственных сборниках, таких как "Гидротехническое строительство", "Энергетическое строительство", "Мелиорация и водное хозяйство", "Изв. вузов. Строительство и архитектура", Труды "ВОДГЕО", а также доложены на всероссийских, региональных и республиканских конференциях и совещаниях.

Приведенные выводы свидетельствуют о том, что в рамках рассматриваемой диссертации на новом научном уровне решен комплекс вопросов по фильтрационному расчету ПФУ грунтовых плотин с учетом пространственности потока, формы профиля створа и береговых склонов, различных типов дренажей, методов сопряжений с основаниями, анизотропной и неоднородной проницаемости грунта в зависимости от способа производства работ, напряженно—деформированного состояния плотины и т.д. Усовершенствованы известные и предложены новые конструкции ПФУ и водопропускных сооружений грунтовых плотин, даны рекомендации по условиям их применения. Полученные расчетные зависимости позволяют обоснованно определять основные параметры фильтрационного потока и на этой основе назначать рациональные конструкции ПФУ. Даны рекомендации по выбору основных типов ПФУ, проектированию их конструктивных элементов, способов сопряжения с основаниями, а также последующего эксплуатационного контроля.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Расчет фильтрации в каменно —земляных плотинах //В сб: Исследования в области промышленного строительства плотин из грунтовых материалов. Труды ВНИИ ВОДГЕО, М, 1985, 31 —35 (в соавторстве).

2. Фильтрационный расчет прямоугольного ядра каменно — земляной плотины с непроницаемой галереей (диафрагмой) в месте сопряжения его с основанием. //В сб: Молодежь и естественные науки. Тез.н —теор. конф. Нальчик, 1985, 85-86.

3. Расчет фильтрации в наклонных ядрах и экранах каменно — земляных плотин на непроницаемом основании //В сб: Молодежь и естественные науки Тез.н—теор. конф. Нальчик, 1985, 86 — 88.

4. Противофильтрационное устройство каменно — земляной плотины. A.c. 1214826 //Открытия. Изобретения. N 8, 1986 (в соавторстве).

5. Противофильтрационное устройство каменно —земляной плотины. A.c. 1217979 //Открытия. Изобретения. N 10, 1986 (в соавторстве).

6. Противофильтрационное устройство каменно — земляной плотины. A.c. 1242561 //Открытия. Изобретения. N25, 1986 (в соавторстве).

7. Противофильтрационное устройство каменно — земляной плотины. A.c. 1361235. //Открытия. Изобретения N 47,1987 (в соавторстве).

8. Расчет фильтрации в трапецеидальных ядрах каменно — земляных плотин //В сб.: Конструкции грунтовых плотин и методы их возведения. Труды ВНИИ ВОДГЕО, М, 1987, 29-31 (в соавторстве).

9. Особенности расчета фильтрации в земляных плотинах на непроницаемом основании //В сб.: Конструкции грунтовых плотин и методы их возведения. Труды ВНИИ ВОДГЕО, М, 1987, 58-60 (в соавторстве).

10. Определение высоты высачивания фильтрационного потока в прямоугольной перемычке //В сб.: Тезисы н—теор. конф. по проблемам строительства и машиностроения. Нальчик, 1988, с.45.

11. Фильтрационный расчет наклонных ядер (экранов) каменно — земляных плотин (при Н2 > 0). В сб.: Молодежь— народному хозяйству. Тез. н —прак.конф. Нальчик, 1988, 178-180.

12. Расчет фильтрации в ядре высокой каменно — земляной плотины //В сб.: Молодежь—народному хозяйству. Тез. н. —прак. конф. Нальчик, 1988,180-181.

13. Расчет фильтрации в однородной плотине на непроницаемом основании. В сб.: Наука— производству. Тез. н. —прак. конф. Нальчик, 1989, 67-69.

14. Водоподпорное сооружение. Патент РФ N 1509483.//0ткрытия. Изобретения. N 35, 1989 (в соавторстве).

15. Плотина из грунтовых материалов. Ас 1518554.//Открытия. Изобретения. N 40, 1989, (в соавторстве).

16. Противофильтрационное устройство грунтовой плотины. A.c. 1521808. //Открытия. Изобретения. N 42,1989.

17. Влияние на фильтрацию формы профиля ядра каменно — земляной плотины.//В сб.: Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве. ч.1. Новочеркасск, 1989, с. 137.

18. К расчету фильтрации в грунтовой плотине с пластовым дренажем. В сб.: Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском хозяйстве. ч.1. Новочеркасск, 1989, 138—139, (в соавторстве).

19. Расчет фильтрации в однородной грунтовой плотине на непроницаемом основании //Известия вузов. Строительство и архитектура, N11, 1990, 71—75.

20. Противофильтрационное устройство грунтовой плотины A.c.1537745. //Открытия. Изобретения. N3, 1990. (в соавторстве).

21. Расчет фильтрации через грунтовую перемычку не непроницаемом основании. //Известия вузов. Строительство и архитектура. N7, 1990, 78-82.

22. Выходные градиенты напора в наклонных ядрах (экранах) каменно — земляных плотин.//В сб.: Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа. Новочеркасск, 1990, 149 — 150.

23. Заглубление дренажа в тело грунтовой плотины. //В сб.: Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа. Новочеркасск 1990,с.151 (в соавторстве).

24. Выбор экрана для каменно — земляных плотин. //Мелиорация и водное хозяйство. N3, 1991, 40 — 42.

25. Об одной новой конструкции противофильтрационногс устройства каменно—земляной плотины.//Энергетическое строительство, N5, 1991, 73-75.

26. Расчет фильтрации в однородной грунтовой плотине ш непроницаемом основании. //Известия вузов. Строительство к архитектура. N12, 1991, 62-64.

27. Глубинное затворное устройство. Патент РФ N17776167 //Открытия. Изобретения. N43, 1992 (в соавторстве).

28. Фильтрация в наклонных противофильтрационных элементах каменно — земляных плотин. //Гидротехническое строительство, N9, 1992, 33-36.

29. Водопропускное сооружение. Патент РФ N1801157. //Открытия Изобретения. N9, 1993 (в соавторстве).

30. Плотина из грунтовых материалов. Патент РФ N1792464 //Открытия. Изобретения. N4, 1993 (в соавторстве).

31. Расчет пространственной фильтрации в противофильтрационны? устройствах гидросооружений.//Энергетическое строительство. N7, 1993 63-68.

32. Пространственная фильтрация в ядрах каменно — землянью плотин. //Гидротехническое строительство, N7, 1994, 24 — 29.

33. К расчету фильтрации в грунтовых плотинах. //Мат —лы н,— прак. конф. КБГСХА, 43, Нальчик, 1995, 5-7.

34. Устройство по предотвращению размыва через сквозныс поперечные трещины в плотинах из грунтовых материалов //Гидротехническое строительство. N7, 1995, 34 — 35. (в соавторстве).

35. Пространственная фильтрация в грунтовых плотинах. //Водно« хозяйство и мелиорация (в печати 1997 г.).

36. Грунтовая плотина. Положительное решение ВНИИ ГПЭ ш заявке N9404129/13 (040841) от 25.06.96г.

37. Холодильник конденсатор. Патент РФ № 2074343 //Открытия Изобретения. №8, 1997 (в соавторстве).

38. Водопропускное сооружение. Мат. н. — прак. конф. КБГСХА, ч.З, 1льчик, 1995, с.13. (в соавторстве).

39. Затворное устройство входного оголовка глубинного водовода, ат. н. —прак. конф. КБГСХА, ч.З, Нальчик, 1995, с. 12.

40. Противофильтрационное устройство аккумулирующей емкости, с. 1330244. Открытия. Изобретения. N30, 1987, 128-129. (в соавторстве).

41. Пространственная фильтрация в грунтовых плотинах. Мат. н.— ак. конференции КБГСХА. Труды часть 3. Технические науки, в.2, 1льчик, 1996, 179-193.

42. Противофильтрационное устройство грунтовой дамбы, вмещенное с водопропускным сооружением. Заявка № 96123378/20 на тент. ВНИИ ГПЭ от 10.12.96r. (в соавторстве).

рис: i.

РИС.4.

РИС.5.

РИС.?.

У— ^ Ггу, а-д

РИС. б.

js

рис.а.

рис .12.

--км -

РИС. 14.

РИС. 17.

РИС. 16.

РИС.26.

Т ■> J у-> 1 i 7 т

{If ?

Mç