Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, доктор наук Саинов Михаил Петрович

• Саинов Михаил Петрович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Саинов Михаил Петрович

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 8

Глава 1. ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НЕГРУНТОВЫХ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................. 20

1.1. Негрунтовые материалы и изделия для создания противофильтрационных элементов............................................. 20

1.2. Современный опыт создания противофильтрационных элементов в основании грунтовых плотин...................................... 29

1.3. Опыт использования противофильтрационных элементов из негрунтовых материалов в теле грунтовых плотин........................... 32

1.4. Перспективы применения и развития конструкций грунтовых плотин с негрунтовыми противофильтрационными элементами......... 42

1.5. Задачи работы, задачи исследований.................................... 45

Глава 2. ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С НЕГРУНТОВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ........................................ 47

2.1. Особенности моделирования грунтовых сооружений с негрунтовыми конструкциями.................................................... 47

2.2. Основная особенность моделирования грунтовых сооружений с негрунтовыми конструкциями.................................................... 49

2.3. Анализ деформативных свойств крупнообломочных грунтов...... 50

2.4. Определение свойств крупнообломочных грунтов на основе данных натурных наблюдений за строительными осадками плотин...... 70

2.5. Обзор информации о модулях деформации каменной наброски... 81

2.6. Моделирование деформируемой среды. Выбор расчётной

модели грунтов..............................................................................................................................................84

2.7. Механизм коррекции НДС при нарушении прочности на растяжение........................................................................................................................................................102

2.8. Разграничение траекторий активного нагружения и разгрузки.... 103

2.9. Моделирование контактов между конструкциями..................... 117

Выводы к главе 2...................... 121

Глава 3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С НЕГРУНТОВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ.......................... 124

3.1. Задачи создания методики решения задач о напряжённо-деформированном состоянии грунтовых плотин с негрунтовыми конструкциями численным методом............................................ 124

3.2. Общие подходы методики решения к учёту особенностей рассматриваемого класса задач....................................................... 126

3.3. Общие принципы решения задач методом конечных элементов.. 129

3.4. О конечных элементах...................................................... 134

3.5. Выбор степени аппроксимации перемещений в конечных элементах.................................................................................. 152

3.6. Решение нелинейных задач о НДС. Решение основной системы уравнений МКЭ.......................................................................... 157

3.7. Алгоритм решения задачи НДС, реализованный в вычислительной программе........................................................... 171

3.8. О тестировании вычислительной программы........................... 180

3.9. Методика решения задач фильтрации и определения фильтрационных нагрузок............................................................ 185

3.10. Методика создания численной модели сооружения................ 189

Выводы к главе 3.................................................................. 193

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С НЕГРУНТОВЫМИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, ВЫПОЛНЕННЫМИ МЕТОДОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ»......................... 199

4.1. Задачи и направления исследований грунтовых плотин с противофильтрационными элементами, выполненными методом

«стена в грунте»..................................................................... 199

4.2. Особенности методики исследований грунтовых плотин с противофильтрационными элементами, выполненными методом

«стена в грунте»..................................................................... 203

4.3. Данные о деформативных и прочностных свойствах глиноцементобетонов............................................................... 206

4.4. Методическое исследование работы противофильтрационной стены в основании грунтовой плотины......................................... 211

4.5. Построение эмпирических зависимостей по результатам методического исследования работы противофильтрационной стены в основании грунтовой плотины................................................... 231

4.6. Приближённая аналитическая зависимость, описывающая

работу стены в основании плотины............... 236

4.7. Исследование влияния неоднородного строения грунтового массива и консольной схемы сопряжения на работу

противофильтрационной стены в основании грунтовой плотины........ 239

4.7.1 Исследования напряжённо-деформированного состояния противофильтрационной стены плотины Керхе.............................. 239

4.7.2 Исследования напряжённо-деформированного состояния противофильтрационной стены на примере плотины Сиалонгди........ 255

4.7.3 Заключение о работе стены в неоднородном грунтовом массиве 262

4.8. Исследование влияния прочностных свойств контакта с грунтом на напряжённо-деформированное состояние стены в основании плотины.......................... 264

4.9. Исследование работы висячей противофильтрационной стены в нескальном основании грунтовой плотины при сопряжении с использованием галереи ................... . 267

4.10. Исследование пространственной работы противо-фильтрационной стены в нескальном основании грунтовой плотины... 274

4.11 . Исследование работы стены, выполненной в качестве нового противофильтрационного элемента при ремонте грунтовой плотины... 280

4.12. Исследование работы в теле грунтовой плотины диафрагмы, выполненной методом «стена в грунте»....................................... 291

4.13. Исследование работоспособности грунтовой плотиной с многоярусной диафрагмой, выполненной методом «стена в грунте»... 294

4.14. Исследование пространственной работы грунтовой плотиной с многоярусной диафрагмой, выполненной методом «стена в грунте»... 304

Выводы к главе 4.................................................................. 313

ТОМ 2

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕННО-НАБРОСНЫХ ПЛОТИН С ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫМ ЭКРАНОМ.................................................. 4

5.1. Задачи и направления исследований каменно-набросных плотин с железобетонными экранами.................. 4

5.2 Исторический опыт строительства и эксплуатации грунтовых плотин с железобетонными экранами.............. 6

5.3 Современные конструкции каменно-набросных плотин с железобетонными экранами.................. 9

5.4. Данные натурных наблюдений за состоянием плотин с

железобетонным экраном......................................................... 14

5.5. Информация о численных исследованиях НДС каменно-

набросных плотин с железобетонным экраном............................... 22

5.6 Численные исследования условий формирования напряжённо-деформированного состояния каменно-набросных плотин с железобетонным экраном (в плоских условиях)............................. 30

5.7. Проверка полученного решения задачи о НДС ЖБЭ приближённым аналитическим методом....................................... 44

5.8. Сопоставление полученных результатов с результатами расчёта

по другой вычислительной программе.......................................... 49

5.9. Исследование формирования растягивающих усилий в железобетонном экране............................................................ 53

5.10. Исследование влияния на НДС ЖБЭ последовательности возведения и нагружения плотины (в плоской постановке)............... 58

5.11. Исследование напряжённо-деформированного состояния железобетонного экрана реальной плотины.................................. 63

5.12. Исследование условий формирования пространственного НДС железобетонного экрана........................................................... 70

5.13. Анализ влияния формы створа на формирование пространственного НДС железобетонного экрана........................... 79

5.14. Анализ влияния последовательности возведения плотины на

НДС железобетонного экрана в пространственных условиях............ 89

5.15. Анализ влияния деформируемости каменной наброски на НДС железобетонного экрана в пространственных условиях.................... 92

5.16. Пространственное НДС железобетонного экрана плотины высотой 200 м........................................................................ 97

5.17. Оценка роли вертикальных швов в регулировании сжимающих напряжений в железобетонном экране.......................................... 105

5.18. Оценка влияния температурных воздействий на НДС железобетонного экрана........................................................... 109

Выводы к главе 5.................................................................. 114

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕННО-НАБРОСНЫХ ПЛОТИН С МАССИВНЫМИ НЕГРУНТОВЫМИ

ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ...................... 118

6.1. Перспективы применения и совершенствования конструкций плотин с массивными негрунтовыми противофильтрационными элементами........................................................................... 118

6.2. О грунтоцементных смесях и их свойствах..........................................................120

6.3. Исследование НДС каменно-набросной плотины с железобетонным экраном и подэкрановой зоной из

грунтоцементобетона..............................................................................................................................127

6.4. Исследование работы массивного противофильтрационного устройства с дублирующей противофильтрационной защитой в виде полимерной геомембраны..................................................................................................................137

6.5. Исследование НДС каменно-набросной плотины с инъекционной завесой..........................................................................................................................143

Выводы к главе 6....................................................................................................................................151

Глава 7. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПЛОТИН

КОМБИНИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ................................................................................153

7.1. Перспективы применения плотин комбинированной конструкции....................................................................................................................................................153

7.2. Исследования НДС комбинированной плотины............................................154

7.3. Исследования НДС каменно-набросной плотины с комбинацией противофильтрационных элементов - железобетонного экрана и глиноцементобетонной стены........................................................................................................165

Выводы к главе 7....................................................................................................................................178

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................180

Список сокращений..........................................................................................................................186

Список литературы............................................................................................................................187

Список иллюстративного материала..............................................................................206

Благодарности................................................................................................................................................207

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................226

Приложение 1............................................................................................................................................226

Приложение 2............................................................................................................................................229

Приложение 3............................................................................................................................................231

Приложение 4............................................................................................................................................235

Приложение 5............................................................................................................................................261

Приложение 6............................................................................................................................................277

Приложение 7............................................................................................................................................279

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента»

ВВЕДЕНИЕ

Противофильтрационные элементы (далее - ПФЭ) играют ключевую роль в конструкциях грунтовых плотин, т.к. выполняют основную функцию плотины -удержание воды. ПФЭ выполняются не только в теле плотины, но и в основании.

Противофильтрационные устройства могут быть различными по своей конструкции и по виду материала, обеспечивающего их водопроницаемость. Они могут выполняться как из местных грунтов, так и из негрунтовых материалов.

ПФЭ из негрунтовых материалов уже давно используются в гидротехническом строительстве, однако в современный период их применение получило своё новое развитие. Это связано с развитием индустрии производства строительных материалов и изделий, а также с развитием строительных технологий - появились новые материалы и изделия, а уже привычные стали более доступными и эффективными. Благодаря совершенствованию строительных машин и строительного оборудования возросла механизация строительных работ и появились новые возможности для применения негрунтовых материалов в гидротехническом строительстве.

Негрунтовые материалы - материалы искусственные, они получаются путём обработки природного сырья. В процессе изготовления можно изменять структуру искусственных материалов и изделий, а также регулировать их свойства. Можно даже придавать им новые свойства. Кроме того, технологический процесс позволяет добиваться более высокого и гарантированного качества продукции. Это даёт искусственным материалам и изделиям преимущества перед природными. Негрунтовые ПФЭ могут применяться там, где к противофильтрационной защите предъявляются повышенные требования, требующие полного исключения фильтрации.

Кроме того, негрунтовые материалы находят своё применение там, где нет пригодных для строительства грунтов, или климатические условия не позволяют их использовать. Это актуально для нашей страны, большая часть территории которой длительное время находится в зоне отрицательных температур.

Наличие у негрунтовых материалов таких преимуществ делает эффективным их применение для борьбы с фильтрацией в основании и в теле грунтовых плотин. Высокий напор, который действует на ПФЭ в теле и основании плотин, предъявляет высокие требования к их надёжности. Поэтому требуется научное обоснование конструкций негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин, этому и посвящена данная работа.

В работе с помощью численного моделирования исследовалось напряжённо-деформированное состояние (далее - НДС) противофильтрационных элементов, выполненных из материалов на основе цемента (бетон, глиноцементобетон и др.) в основании и теле грунтовых плотин и проводился анализ работоспособности их конструкций.

Актуальность темы исследования обусловлена расширением применения негрунтовых ПФЭ в конструкциях и основаниях грунтовых плотин, а также потребностью в создании новых, более совершенных и надёжных ПФЭ для плотин большой высоты. Основными преимуществами негрунтовых ПФЭ являются возможность регулирования и модификации свойств их материалов, в т.ч. для применения в суровых климатических условиях. Важное значение среди негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин имеют те, которые выполняются из материалов на основе цемента (бетон, глиноцементобетон, грунтоцементные смеси и др.). Это железобетонные экраны каменно-набросных плотин и диафрагмы (стены), выполненные в основании или теле грунтовых плотин методом «стена в грунте», инъекционные завесы и др.

Каменно-набросные плотины с железобетонным экраном в настоящий момент являются одним из наиболее перспективных типов грунтовых плотин, они часто строятся в странах Азии и Латинской Америки, могут достигать значительной высоты и применяться в самых различных условиях. Актуальным является вопрос о возможности применения каменно-набросных плотин с железобетонным экраном (далее - ЖБЭ) для строительства крупных гидроузлов на востоке России, в слабо освоенных районах с суровым климатом.

Активно для создания ПФЭ используются и конструкции, возводимые методом «стена в грунте». Этим способом устраиваются противофильтрационные стены для борьбы с фильтрацией в основании плотин и в теле тех грунтовых плотин, которые требуют ремонта. Кроме того, особенно актуальным в настоящее время является вопрос о возможности устройства методом «стена в грунте» диафрагм во вновь строящихся высоких грунтовых плотинах.

Инъекционные завесы в основном они используются для борьбы с фильтрацией в основании плотин, но с учётом накопленного опыта они могут рассматриваться как перспективный тип ПФЭ грунтовой плотины.

Применение выше перечисленных типов негрунтовых ПФЭ сдерживается недостаточной изученностью условий их работы, отсутствием гарантий обеспечения их прочности и трещиностойкости. В частности, в железобетонных экранах ряда современных сверхвысоких плотин образовывались трещины, которые могли привести к разрушению этих плотин. Поэтому актуальным является вопрос о выявлении причин возможного нарушения прочности в тонкостенных негрунтовых ПФЭ.

Актуальность данной работы заключается в научном обосновании конструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ, в формулирования принципов их проектирования, а также создании методики их расчётного обоснования.

Степень разработанности проблемы. Научное обоснование проектирования негрунтовых ПФЭ в составе грунтовых плотин, его методология в настоящее время разработаны недостаточно. Для расчётов и исследований грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ применяются различные вычислительные программные комплексы с широкими возможностями (DIANA, PLAXIS и др.). Путём численного моделирования они позволяют решать задачи о напряжённо-деформированном состоянии (далее - НДС) сооружений как в плоской, так и в пространственной постановке, с учётом нелинейности деформирования грунтов и взаимодействия грунтового массива с негрунтовыми конструкциями.

Однако задачи о работе жёстких конструкций в грунтовом массиве имеют свои особенности и требуют применения особых подходов для своего решения.

Особенности этих задач связаны со сложным характером работы жёстких конструкций в грунтовом массиве. Модель сооружения, создаваемая при численном моделировании, должна правильно отражать его работу. Опыт показывает, что для получения достоверных результатов при моделировании необходимо учитывать нелинейный характер взаимодействия негрунтовых конструкций между собой и с грунтовыми массивом, а также последовательность возведения и нагружения сооружения. Кроме того, важное значение имеет нелинейность деформирования грунтовой среды.

Особенности методики решения задач о работе жёстких конструкций в грунтовом массиве связаны со сложностями обеспечения достоверных результатов при численном моделировании. Во-первых, имеются трудности при реализации методики расчёта с учётом нелинейности поведения среды. Во-вторых, оказывается непросто обеспечить требуемую точность решения задачи, т.к. грунтовый массив и негрунтовые конструкции о сильно различаются по жёсткости. Решение задачи ещё более осложняется, если жёсткая негрунтовая конструкция - тонкостенная.

Традиционные методики и вычислительные программы не всегда применимы для решения задач о НДС грунтовых плотин с тонкими негрунтовыми конструкциями. По-видимому, из-за этих сложностей в настоящее время отсутствует полноценный анализ условий работы жёстких тонкостенных противофильтрационных конструкций в высоких грунтовых плотинах.

Исследования НДС противофильтрационных стен в основании и теле грунтовых плотин очень редки, а имеющиеся часто ограничиваются решением конкретных плоских задач (Радзинский А.В., Дао Туан Ань, Ding, Zhang). Общей теории работы противофильтрационных стен в основании и теле грунтовых плотин на данный момент не создано. Не решённым является один из важнейших вопросов проектирования противофильтрационных стен - вопрос о выборе материала для их устройства.

Исследования НДС ЖБЭ каменно-набросных плотин выполняются существенно чаще. Этому вопросу посвящены работы ряда зарубежных авторов (Arici, Ozel, Mohsen Ghadrdan, Bin Xu и др.). Однако результаты этих исследований довольно противоречивы. В практике проектирования бытует мнение, что ЖБЭ находятся в состоянии двухосного сжатия, но оно не объясняет образование трещин в экранах некоторых плотин. На данный момент причины трещинообразования в железобетонных экранах каменно-набросных плотин не выявлены. Кроме того, не оценено влияние различных факторов на НДС ЖБЭ, не решён ряд принципиальных вопросов проектирования плотин данного типа.

НДС грунтовых плотин с ПФЭ в виде инъекционных завес ещё не исследовалось вовсе.

Отдельно следует упомянуть о том, что практически не исследованным является вопрос о работе плотин с комбинацией ПФЭ и о работе комбинированных плотин.

Поэтому цель данной работы - определение условий работы негрунтовых ПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, выявление причин и зон возможных нарушений их прочности, а также формулирование рекомендаций по проектированию грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ, выбору типа и совершенствованию их конструкций.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- создана методика численного моделирования НДС в рамках метода конечных элементов, которая позволяет адекватно воспроизводить совместную работу грунтовой плотины с негрунтовыми ПФЭ и учитывать все основные факторы, определяющие НДС этих сооружений;

- разработана вычислительная программа, которая реализует данную методику и позволяет обеспечить необходимую точность получаемых результатов;

- проанализированы данные о деформируемости крупнообломочных грунтов тела высоких грунтовых плотин, установлен интервал изменения их деформативных свойств;

- проведён анализ условий работы негрунтовых противофильтрационных стен в теле и основании грунтовых плотин, выявлено влияние жёсткости материала стены на её прочностное состояние, даны рекомендации о выборе материала для противофильтрационных стен;

- проанализированы условия формирования НДС каменно-набросных плотин с железобетонными экранами, выявлены возможные причины образования трещин в ЖБЭ, исследовано влияние на НДС ЖБЭ различных факторов;

- дана оценка влияния температурных воздействия на НДС и прочность железобетонных экранов каменно-набросных плотин;

- проанализирована работоспособность конструкций плотин с массивными ПФЭ, в т.ч. с инъекционными завесами, даны рекомендации для проектирования плотин данного типа;

- выполнен анализ условий работы грунтовых плотин с комбинацией ПФЭ (железобетонный экран и диафрагма в виде «стены в грунте»), а также НДС комбинированной плотины;

- проанализирована эффективность путей дальнейшего совершенствования конструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ из материалов на основе цемента;

- сформулированы выводы и рекомендации по проектированию и методике расчётного обоснования конструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ.

Методология и методы исследований. Анализ работоспособности негрунтовых ПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, условий их работы проводился на основе решения задачи об их НДС при статических нагрузках. НДС сооружений определялось путём численного моделирования методом конечных элементов. Для определения фильтрационных нагрузок на сооружения проводились расчёты фильтрации методом конечных элементов. При фильтрационных расчётах и расчётах НДС использовалась одна и та же конечно-элементная модель сооружения.

Все исследования проводились по созданной автором методике и с помощью вычислительных программ, созданных автором. Автором было показано, что при расчётах НДС грунтовых сооружений жёсткими тонкостенными конструкциями приемлемой точности решения можно добиться только путём применения для моделирования последних конечных элементов высокого порядка. С этой целью был предложен способ создания конечных элементов, который позволяет создавать в них неоднородную степень аппроксимации перемещений.

Созданная методика расчётов позволяет учитывать нелинейный характер деформирования грунтов, а также контактов между элементами конструкции сооружения. Автором предложен и реализован алгоритм расчёта НДС грунтового сооружения, который позволяет учитывать то, что в разных зонах грунтового массива деформирование грунта происходит по разным траектория нагружения (активное нагружение и/или разгрузка).

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается, тем

что

- теория численного моделирования НДС грунтовых сооружений построена на использовании хорошо известного, теоретически обоснованного и многократно апробированного метода конечных элементов, а также на использовании закономерностей теории механики грунтов,

- идея базируется на учёте при численном моделировании важнейших факторов, определяющих реальные условия формирования НДС негрунтовых ПФЭ и окружающего грунтового массива, на использовании эмпирических данных о деформируемости, прочности грунтов и цементосодержащих материалов,

- при составлении численных моделей сооружений использованы конечные элементы повышенной точности,

- для составления численных моделей каменно-набросных плотин использованы данные о деформируемости каменной наброски, полученные другими исследователями путём экспериментальных и натурных исследований,

- результаты численного моделирования согласуются с опубликованными данными натурных наблюдений за работой грунтовых плотин, а также с результатами, полученными простыми аналитическими методами, и результатами расчётов, проведённых с помощью сертифицированного программного комплекса АШУБ,

- установлено качественное и количественное совпадение результатов численного моделирования с имеющимися результатами натурных наблюдений, а в простых задачах - с результатами, полученными по программе АКБУБ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены принципы решения задач о НДС грунтовых сооружений с негрунтовыми конструкциями, показана обязательность учёта при расчётах нелинейного характера взаимодействия элементов конструкции плотины между собой, а также технологической схемы возведения и нагружения сооружения,

-разработаны методика и алгоритм численного решения задачи о пространственном НДС грунтовых сооружений, которые позволяют наиболее достоверно моделировать работу тонких жёстких конструкций во взаимодействии с грунтовым массивом,

-разработана универсальная компьютерная программа, которая позволяет исследовать НДС грунтовых сооружений с тонкими жёсткими негрунтовыми конструкциями,

- выявлены особенности НДС противофильтрационных стен в основании и теле грунтовых плотин - возможность возникновения в них значительных сжимающих продольных усилий, изгиба в трёх плоскостях, выявлено влияние на НДС противофильтрационных стен неоднородности строения основания и граничных условий,

- выявлены причины и зоны возможного нарушения прочности противофильтрационных стен (с учётом изменения прочности материала стены в зависимости от вида напряжённого состояния), предложены меры, позволяющие улучшить прочностное состояние противофильтрационных стен,

- выявлены особенности НДС железобетонных экранов каменно-набросных плотин - возможность возникновения значительных растягивающих продольных усилий в направлении вдоль откоса, значительных сжимающих напряжений в направлении от борта к борту, а также изгиба в трёх плоскостях,

- определено влияние на формирование пространственного НДС железобетонных экранов каменно-набросных плотин различных факторов (геометрия створа, деформируемость каменной наброски, высота плотины и последовательность её возведения, разрезка деформационными швами и др.),

-установлены причины и зоны возможного возникновения трещин в железобетонных экранах каменно-набросных плотин (за счёт нарушения прочности на растяжение и сжатие), предложены рекомендации по повышению надёжности работы железобетонных экранов,

-установлена степень влияния температурных воздействий на НДС железобетонных экранов каменно-набросных плотин, обоснована возможность применения данного типа плотин в суровых климатических условиях,

- выявлены особенности НДС грунтовых плотин с массивными негрунтовыми ПФЭ из цементосодержащих материалов (экран, ядро, инъекционная завеса), определено влияние на их НДС различных факторов, дана оценка работоспособности этих видов ПФЭ,

- обоснована возможность применения конструкций типа «стена в грунте» в качестве противофильтрационных диафрагм грунтовых плотин, в т.ч. высоких,

- выполнена оценка работоспособности конструкции комбинированных плотин, включающих в себя бетонное и грунтовое сооружения,

- предложена и обоснована конструкция грунтовой плотины с комбинацией двух тонкостенных негрунтовых ПФЭ (глиноцементобетонной диафрагмы и железобетонного экрана).

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

- применительно к проблематике диссертации результативно использовано численное моделирование для получения новых знаний о НДС и

работоспособности различных видов негрунтовых противофильтрационных конструкций в основании и теле грунтовых плотин,

- проведена модернизация численной методики исследований НДС жёстких негрунтовых конструкций в грунтовых сооружениях на основе метода конечных элементов, позволившая получить новые научные результаты,

- изложены алгоритмы численного моделирования работы жёстких негрунтовых конструкций грунтовых плотин,

- изучены особенности и раскрыты закономерности формирования НДС различных типов негрунтовых ПФЭ (экраны, диафрагмы, завесы) грунтовых плотин, изучено влияние различных факторов на их НДС,

- изучено влияние характера пространственного напряжённого состояния материала противофильтрационных стен (глиноцементобетон) на его прочность,

- выявлены (раскрыты) причины нарушения прочности в железобетонных экранах и других видах (как тонкостенных, так и как массивных) негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин, сформулированы рекомендации по повышению надёжности их работы,

- обоснована возможность устройства методом «стена в грунте» противофильтрационной диафрагмы в теле высокой грунтовой плотины,

- обоснована возможность применения каменно-набросных плотин с железобетонными экранами в суровых климатических условиях.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработана вычислительная компьютерная программа, позволяющая проводить исследования НДС грунтовых сооружений с негрунтовыми конструкциями (включая тонкостенные) с учётом истории формирования НДС и нелинейного характера деформирования среды при восприятии нагрузок,

- представлены результаты расчётного обоснования конструкций ряда реальных грунтовых плотин с тонкостенными негрунтовыми ПФЭ,

- представлены результаты анализа работоспособности типа высокой грунтовой плотины с ПФЭ в виде инъекционной завесы, сформулированы условия, при которых данный тип плотин может быть применён,

- представлены результаты анализа экспериментальных и натурных данных о деформируемости каменной наброски,

- обоснован низкий уровень работоспособности комбинированных плотин, состоящих из массивного бетонного сооружения и из грунтового сооружения с ПФЭ в виде железобетонного экрана,

- обоснованы преимущества применения грунтовой плотины с ПФЭ комбинированного типа, состоящего из железобетонного экрана и диафрагмы, возведённой методом «стена в грунте».

- представлены эмпирические зависимости, позволяющие на предварительных стадиях проектирования оценить НДС и прочность тонкостенных негрунтовых ПФЭ (экранов, диафрагм) в теле и основании грунтовых плотин, а также выбрать параметры ПФЭ, обеспечивающие их работоспособность,

- сформулированы рекомендации по выбору материала для противофильтрационных стен в основании и теле грунтовых плотин, для инъекционных завес в нескальных грунтах,

- сформулированы рекомендации по повышению работоспособности, по улучшению прочностного состояния различных видов негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин,

- представлены предложения по дальнейшему совершенствованию конструкций грунтовых плотин комбинации негрунтовых ПФЭ разных видов.

Положения, выносимые на защиту:

- методика численных исследований НДС грунтовых сооружений, включающих в себя жёсткие негрунтовые конструкции,

- результаты анализа НДС негрунтовых ПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, выводы о причинах возможного нарушения их прочности,

- результаты анализа влияния различных факторов на НДС тонких и массивных негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин, а также эмпирические зависимости, отражающие это влияние,

- рекомендации по совершенствованию конструкций плотин с негрунтовыми ПФЭ, по выбору материала для их устройства,

- рекомендации по выбору конструкций плотин с комбинацией ПФЭ.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследований,

разработке методики расчётов НДС грунтовых плотин с тонкостенными негрунтовыми ПФЭ, создании реализующей её вычислительной программы, выполнении численных исследований, обработке, анализе и обобщении их результатов, а также в формулировании выводов и рекомендаций.

Апробация работы проводилась путём публикации статей в научных журналах и в виде докладов на научных конференциях. Были сделаны доклады на конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (НИУ МГСУ, 2017 г.), второй научно-технической конференции ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (2006 г.), на XXI российско-польско-словацком семинаре «Теоретические основы строительства» (САФУ, 2012 г.).

Научные результаты достаточно полно изложены в 40 печатных работах, в т.ч. 34 статьи опубликованы в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень рецензируемых научных изданий), из которых 9 - опубликованы в изданиях, индексируемых международными реферативными базами Scopus и Web of Science.

Объём и структура диссертации. Диссертация включает в себя введение и 7 глав. Она оформлена в виде двух томов и включает в себя 540 страниц машинописного текста (без учёта приложений, 316 страниц в томе 1, 224 страницы в томе 2), 295 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает в себя 274 источника.

Глава 1.

ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НЕГРУНТОВЫХ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Негрунтовые материалы и изделия для создания противофильтрационных элементов

Для создания ПФЭ в грунтовых плотинах и нескальных основаниях плотин применяется широкий спектр негрунтовых строительных материалов. Это каменные строительные материалы на основе вяжущих, полимерные материалы, дерево и даже сталь [Гидротехнические сооружения, часть 1; Айрапетян]. Однако возможность их использования определяется не только их водопроницаемостью, но и другими факторами. Среди них - условия работы сооружения (температурные условия, солнечная радиация и др.), конструктивные требования (прочность, водостойкость, долговечность и др.), а также технологические возможности. Поэтому материалы, применяемые для противофильтрационных устройств, отличаются от тех, которые используются в промышленно-гражданском строительстве. Они могут отличаться структурой, составом, а также технологией приготовления.

Первым негрунтовым материалом, который стал использоваться в грунтовых плотинах и грунтовых основаниях, по всей видимости, является дерево. Древесина - местный строительный материал, что делает его очень удобным для применения. Оно широко применялось в гидротехническом строительстве в России. Однако дерево обладает рядом отрицательных свойств, таких как подверженность гниению и горению, которые делают его применение неэффективным в современных условиях [Моисеев]. В настоящее время противофильтрационные устройства из дерева практически не применяются, в нашей работе они также рассматриваться не будут.

Все остальные (помимо древесины) негрунтовые гидроизоляционные материалы являются искусственными.

Большое распространение получили искусственные каменные строительные материалы, получаемые на основе неорганических и органических вяжущих.

В качестве неорганического вяжущего обычно используются цементы различных видов. Соответственно часто материалом ПФЭ служит бетон -материал, полученный из смеси цемента, заполнителя и воды. В некоторых ПФЭ используют не бетон, а железобетон - бетон, армированный стальной арматурой, что позволяет увеличить сопротивление растягивающим напряжениям.

Преимуществами бетона является его технологичность и высокая прочность на сжатие. Однако он плохо работает на растяжение и подвержен хрупкому разрушению с образованием трещин. Ещё одним недостатком бетона с точки зрения применения в грунтовых плотинах является его высокая жёсткость. Его деформируемость значительно (на два-три порядка) отличается от деформируемости грунта, поэтому в последнее время стали часто применяться бетоны с добавкой компонентов, которые повышают его деформируемость. В качестве таких добавок используется бентонитовая глина или аналогичные местные глинистые грунты [ICOLD, 1985; Дерюгин]. В результате получается новый материал - глиноцементобетон (англ. clay-cement). В зависимости от соотношения содержания цемента и глины, можно получить глиноцементобетон, различный по деформируемости и прочности. Модуль деформации глиноцементобетона может составлять менее 100 МПа и превышать 1000 МПа. Этот материал обладает пластичными свойствами, благодаря которым может обладать способностью к самозалечиванию трещин [Wu, Shi, Dong, Ci, Yiziteluopu]. Глиноцементобетон - менее жёсткий, чем бетон, однако и менее прочный материал. Чтобы повысить его прочность, предлагают вводить в его состав распределённую арматуру, фибру [Королёв, Смирнов, Аргал, Радзинский; Рассказов, Радзинский, Саинов. Выбор состава глиноцементобетона...]. Фибра может быть в виде металлических проволочек или в виде полимерных волокон.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Саинов Михаил Петрович, 2018 год

х - —

V Ь ,

(5.12).

При такой функции распределения получаем, что максимум прогибов Ь

происходит при х = —, что совпадает с результатами расчётов. Максимальный прогиб будет равен

и = УвНР. Ь= Г.Н11 у1 + т2 (5 13)

ип,тах т- /I т- л

Ет 4 Ет 4 Если ввести в формулу величину силы горизонтального гидростатического

у Н2

давления воды, равную Рводы = — , то выражение преобразуется к виду

и„,тах = 1Рв°ды -р-^2 (5.14).

2 Е т

1 +т2

При т=1,4 величина Р- --равна 1,02, т.е. близка 1. Поэтому формула

т

(5.14) совпадает с полученной ранее эмпирической формулой (5.3).

В реальности функция распределения прогибов не квадратичная, а более сложная. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, это наличие в нижней части экрана пригрузки. Во-вторых, это влияние граничных условий. Например, на гребне плотины грунт имеет большую свободу деформации - он может расширяться в сторону, за счёт чего прогиб на гребне не равен 0 в отличие от получаемого по формуле (5.12). В реальных условиях происходит взаимодействие между отдельными отсеками и перераспределение воспринимаемой нагрузки.

Тем не менее, формула (5.12) довольно хорошо описывает прогибы экрана. Сравнение результатов численного эксперимента и аналитического расчёта показывает, что на большей части экрана, прогибы, полученные двумя методами, близки к другу (рисунок 5.39). Различие характерно для пригребневой зоны.

Хорошее совпадение прогибов ЖБЭ позволяет применить уравнение (5.12) и для прогнозирования его напряжённого состояния. Воспользовавшись приближённым уравнением изогнутой оси балки и зная функцию изменения её прогибов, можно

40 30 20 10 0

- ип, см

X, М

-расчёт по формуле -численный эксперимент

1 1 1 1 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Рисунок 5.39 - Сравнение прогибов ЖБЭ, полученных разными методами

определить возникающие в ней внутренние усилия от изгиба. Уравнение изогнутой оси балки имеет вид [Варданян, Андреев, Атаров, Горшков]:

d2U,1

M = E б J

dx2

(5.15).

где М - изгибающий момент,

Еб - модуль деформации бетона, из которого выполнена балка, I - момент инерции поперечного сечения экрана.

Если толщина экрана по высоте постоянна J

t3 12

Продифференцировав уравнение (5.12) на основе (5.15) получаем выражение для определения изгибающего момента в экране.

У в Р

ув H р t3E6 'в р б или M =

M =

t3 E,

(5.16).

Lm 6 E + m2 6 E

С помощью формулы внецентренного сжатия получим выражение для

определения значении продольных напряжении на гранях экрана: M

а = ±

W

(5.17).

где W =

■ момент сопротивления сечения экрана.

У в Р * Е б

° = ± Т^лт (518).

тл/1 + т2 Е

При толщине ЖБЭ, равной 1м, получим следующие напряжения:

9,81-0,833-1 29-106 1 ПОЛ/гтт

ст = ± ——,--^ = 1,93 МПа.

1,4^1 +1,42 60-103

Мы получили, что вследствие изгиба на низовой грани экрана возникает довольно существенное растягивающее напряжение, превышающее расчётное сопротивление бетона растяжению.

Полученное решение - приближённое. В соответствии с формулой (5.16) изгибающий момент в экране не зависит от высоты плотины и постоянен по длине экрана. Это объясняется тем, что принята квадратичная зависимость изменения прогибов по длине экрана. В реальных условиях это не так. В верхней части экрана изгибные деформации будут выражены слабее, поэтому и изгибающий момент будет уменьшаться по высоте.

Благодаря применению приближённого аналитического метода мы смогли получить важные результаты:

• Теоретически обоснована эмпирическая формула (5.3) для определения максимальных прогибов экрана под действием гидростатического давления;

• Получено выражение для определения напряжений в экране, выявлено, что деформации изгиба не зависят от высоты плотины (при равной деформируемости тела плотины);

• Теоретически доказано, что в результате изгиба в экране могут возникать существенные растягивающие напряжения.

Однако полученные нами растягивающие продольные напряжения в экране (около 2 МПа) существенно ниже, чем те, которые были получены численным методом. Учитывая, что величины прогибов, полученные двумя методами, близки друг к другу, появление больших растягивающих напряжений в ЖБЭ нельзя объяснить только деформациями изгиба. Они могут быть связаны только с наличием в экране растягивающих усилий.

5.8. Сопоставление полученных результатов с результатами расчёта по другой вычислительной программе

Ещё одним способом проверки полученного НДС ЖБЭ было сопоставление

3

с полученных результатов с вычислениями по программе ЛКБУБ .

Для расчёта по программе ЛКБУБ расчётная область сооружения была принята идентичной описанной выше (для расчёта по программе Для

конечно-элементной дискретизации расчётной области использовались элементы с квадратичной аппроксимацией перемещений внутри элемента. Контакты ЖБЭ с грунтовой плотиной и скальным основанием, а также контакт плотины со скалой моделировались с помощью контактных элементов. Общее количество конечных элементов в модели сооружения составило 1196, количество узлов - 3489. Количество степеней свободы составило 6822.

Расчёт производился для модели линейно-деформируемой среды. Для грунта тела плотины модуль линейной деформации принимался равным 60 МПа, коэффициент Пуассона 0,25, для железобетона экрана соответственно 29000 МПа и 0,18. Поведение контактов принималось нелинейным, с возможностью нарушения прочности на растяжение и сдвиг. Прочность на растяжение во всех контактах была принята нулевой. Коэффициент трения контактных пар «камень-бетон» и «камень-скала» принимался равным 1, сцепление - 0. Касательная жёсткость контакта «камень-бетон» была принята 24 МПа/м.

Расчёт производился с учётом простой схемы последовательности возведения и нагружения плотины. На первом этапе был «возведён» полный профиль грунтовой плотины, на втором - ЖБЭ. Третий этап моделировал появление на ЖБЭ гидростатического давления, соответствующего УВ 100 м (до гребня плотины).

Для возможности сопоставления для этой же расчётной схемы плотины был проведён расчёт по программе Шв_М

3 Расчёт по программе Л№У8 был выполнен Фомичёвым А.А.

Расчёты по обеим программам дали очень хорошее совпадение перемещений и напряжений для тела плотины. Была получена и качественно похожая картина для НДС ЖБЭ - наличие в нём деформаций изгиба и растягивающих усилий. Различие в результатах расчёта было выявлено в нижней части ЖБЭ. По результатам расчёта по программе АКБУБ максимальное растягивающее главное напряжение а1 на низовой грани экрана достигло 7,91 МПа (рисунок 5.40а). По результатам расчётов по программе растягивающие напряжения а1 не превысили 5 МПа (рисунок 5.41а). При этом различалось положение наиболее опасного сечения. По результатам расчётов по программе АКБУБ в самой нижней части ЖБЭ имелась зона повышенных изгибных деформаций, которая и приводила к концентрации растягивающих напряжений на низовой грани экрана.

-0,98 0,03 0,99 1,98 2,97 3,96 4,94 5,93 6,92 7,91 шкала напряжений (МПа) для рисунка б

-0,74 -0,19 0,36 0,91 1,45 2,00 2,55 3,10 3,65 4,20 Рисунок 5.40 - Максимальные главные напряжения в нижней части ЖБЭ по результатам расчёта по программе ANS YS.

а - при наличии трения грунта по скале, б - при отсутствии трения грунта на контакте со скалой.

шкала напряжений [МПа]

0 1 2 2,5 3 4 5 Рисунок 5.41 - Максимальные главные напряжения в нижней части ЖБЭ по результатам расчёта по программе

Повышенный изгиб нижней части ЖБЭ мог быть вызван различием в граничных условиях работы экрана, поэтому более детально было проанализирована работа контактов. При этом в обоих случаях было получено, что периметральный шов экрана раскрывается. При расчёте по программе ЛКБУБ раскрытие составило 10,6 см (рисунок 5.42а), а при расчёте по программе -

9,3 см. Кроме того, в шве происходят касательные перемещения - экран проскальзывает относительно скального основания. Максимальный краевой прогиб ЖБЭ составил: по программе АШУБ - 3,5 см (рисунок 5.43а), по программе - 4,2 см.

По программе ЛКБУБ дополнительно был проведён ещё один расчёт - для случая отсутствия касательной жёсткости на наклонном участке сопряжения сооружения с основанием.

В этом случае раскрытие периметрального шва уменьшилось до 8,4 см (рисунок 5.42б), а краевой прогиб экрана увеличился до 3,6 см (рисунок 5.43б). При этом повышенные изгибные деформации в нижней части исчезли и максимальное значение растягивающих напряжений а1 уменьшилось до 4,2 см (рисунок 5.40б). Распределение напряжений в экране стало близким к тому, что получено при расчёте по программе

-10,56

-9,39

а) б)

шкала перемещений (см) для рисунка а

-8,21 -7,04 -5,87 -4,69 -3,52 -2,35 шкала перемещений (м) для рисунка б

-1,12

-8,39 -7,45 -6,52 -5,59 -4,66 -3,72 -2,80 -1,86 -0,93 0

Рисунок 5.42 - Перемещения нижней части сооружения в направлении, перпендикулярном контактам по результатам расчёта по программе АКБУБ. а - при наличии трения грунта по скале, б - при отсутствии трения грунта на контакте со скалой.

0

-0,32 0,11

а) б)

шкала перемещений (см) для рисунка а

0,05 0,96 1,38 1,81 2,23 2,66 3,08 шкала перемещений (м) для рисунка б

3,51

-0,41 -0,32 -0,23 -0,15 -0,06 0,21 1,07 1,92 2,78 3,63 Рисунок 5.43 - Перемещения нижней части сооружения в направлении вдоль контактов по результатам расчёта по программе АКБУБ. Обозначения на рисунке 5.42.

Произведённый тестовый расчёт подтвердил полученный характер НДС ЖБЭ - наличие в нём растягивающих усилий и достоверность получаемых с помощью созданной вычислительной программы результатов.

5.9. Исследование формирования растягивающих усилий в железобетонном экране

Исследование влияния трения экрана по грунту на его напряжённо-деформированное состояние. Растягивающие усилия в ЖБЭ могут возникнуть только от деформаций грунта тела плотины. Они передаются экрану через трение (также, как передаются сжимающие усилия на противофильтрационные стены). Поэтому для выявления этих усилий необходимо рассмотреть касательные напряжения, возникающие на контакте между экраном и подэкрановой зоной.

На рисунок 5.44 зелёной линией показана эпюра касательных напряжений т на контакте «бетон-грунт» (при касательной жёсткости контакта Ег=24 МПа/м). Получено, что в нижней части контакта (на протяжении 20 м) касательные напряжения положительны и достигают почти 0,5 МПа. Это довольно большие напряжения, т.к. они составляют около половины от максимального гидростатического давления на плотину (0,95 МПа). Однако прочность на сдвиг в контакте не нарушается, т.к. экран прижат к плотине гидростатическим давлением.

- % м la

—трение отсутствует — наличие трения

V ял

\

\ S

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Рисунок 5.44 - Фактические и потенциально возможные касательные напряжения

на контакте экрана с подэкрановой зоной

Возникновение этих напряжений объясняется тем, что для нижней части плотины характерно наличие сдвиговых деформаций, когда плотина стремиться сдвинуться в сторону нижнего бьефа. Жёсткий ЖБЭ через трение препятствует

этим смещениям, что вызывает в нём значительные растягивающие усилия. На обоих гранях нижней части экрана при наполнении водохранилища возникают значительные растягивающие напряжения - около 6 МПа (рисунок 5.45, 5.46).

Рисунок 5.45 - Приращения продольных напряжений (МПа) на верховой грани

экрана, возникающие при наполнении водохранилища. Зелёным цветом обозначены напряжения для случая отсутствия трения между ЖБЭ и грунтами, красным - при наличии трения на контакте «грунт-ЖБЭ».

1.4

Рисунок 5.46 - Приращения продольных напряжений (МПа) на верховой грани экрана, возникающие при наполнении водохранилища. Обозначения см. на рисунке 5.45.

В верхней части контакта касательные напряжения - отрицательны или близки к 0. За счёт этого по мере удаления от основания растягивающие напряжения в ЖБЭ постепенно уменьшаются (рисунки 5.45, 5.46). Подсчёт показал, что через трение на нижнюю часть ЖБЭ передаётся растягивающее усилие, равное 2,7 МН. Кроме того, касательные напряжения, действующие на низовой поверхности экрана, вызывают в нём появление и изгибающего момента, который по нашим подсчётам достигает 1.5 МНм. Эти воздействия в совокупности с изгибными деформациями вызывают неблагоприятное НДС нижней части экрана.

Чтобы подтвердить сделанные выводы о влиянии на НДС трения на контакте «ЖБЭ-грунт», был выполнен расчёт, в котором это трение полностью отсутствует. Для этого касательная жёсткость контактов Et была принята практически равной 0. Расчёт показал, что в этом случае экран подвержен практически только деформациям изгиба. Его низовая грань растягивается, а низовая - сжимается (рисунки 5.45, 5.46). При этом абсолютные значения напряжений близки друг к другу и составляют не более 2,1 МПа. Это примерно соответствует тому значению, которое было получено нами аналитическим путём по формуле (5.18). Это подтверждает достоверность как численного, так и аналитического решения.

С высотой значения напряжений на гранях ЖБЭ уменьшаются (рисунки 5.45, 5.46), как и следует из анализа его прогибов. Небольшая неравномерность в распределения напряжений между верховой и низовой гранями ЖБЭ, полученная при численном решении, объясняется влиянием граничных условий задачи - неравномерным опиранием экрана на скалу в контактном шве.

Таким образом, нами показано, что только в случае отсутствия трения НДС ЖБЭ формируется только деформациями изгиба. Большую роль в формировании его НДС играют усилия, передаваемые на него через трение от деформаций грунтовой плотины.

При отсутствии трения на контакте «экран-плотина» перемещения экрана в направлении вдоль откоса близки 0, а вот перемещения грунтовой плотины в этом же направлении достигают 14 см (рисунок 5.47). Если подсчитать при данных перемещениях и касательной жёсткости контакта Et=24 МПа/м, касательные напряжения на контакте «экран-плотина», то окажется, что они могли бы достигать 1,6 МПа (рисунок 5.44). Это максимально возможные по величине напряжения т. Подсчёт усилий в направлении вдоль откоса, показал, что на ЖБЭ могла бы передаваться сила, равная 135МН!

- и„ см

— верховая грань ЖБЭ (трение)

низовая грань ЖБЭ (трение) поверхность грунта (трение) поверхность грунта(без трения) -1-1-1-1-1-

X м

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Рисунок 5.47 - Перемещения экрана и грунта в направлении вдоль экрана

Таким образом, доказано, что наибольшую роль в формировании НДС ЖБЭ каменно-набросной плотины оказывают не изгибные деформации, а продольные внутренние усилия. Эти усилия в нижней части экрана - растягивающие. Они возникают из-за сдвиговых деформаций плотины под действием гидростатического давления верхнего бьефа.

Проведя расчёты НДС для широкого диапазона модулей деформации грунта, были получены максимальные значения продольных напряжений, возникающих от продольных усилий (рисунок 5.48). При снижении деформируемости каменной наброски смещения плотины уменьшаются и соответственно уменьшаются продольные растягивающие усилие. Это

уменьшение происходит нелинейно. Растягивающие напряжения возникают даже в том случае, если тело плотины будет выполнено из бетона.

Рисунок 5.48 - Изменение максимальных значений продольных напряжений от растягивающих усилий в экране при росте модуля деформации грунта

Эта зависимость может быть аппроксимирована следующими функциями: а = 5.14 • exp(-0.0013• E) (5.19)

а = 5.3• Eб /(55E + Eб) (5.20)

Эффективность регулирования НДС экрана путём устройства поперечного шва. Итак, как показали расчёты, важнейшей причиной неблагоприятного НДС ЖБЭ является наличие в направлении вдоль экрана растягивающего усилия. Для снижения растягивающих усилий в ЖБЭ возможно устройство в экране поперечного шва.

Для оценки эффективности этого мероприятия был проведён расчёт НДС для варианта, когда в нижней части экран разрезан одним швом. Шов был устроен в сечении, в котором продольные растягивающие напряжения максимальны по величине. Оно расположено на высоте 11 м от подошвы плотины.

Расчёты показали, что устройство шва делает НДС ЖБЭ более благоприятным, однако не это улучшение имеет локальное распространение. Шов раскрывается на 2,5 см. За счёт этого в области шва происходит значительное уменьшение растягивающих продольных напряжений (рисунок 5.49). Однако на удалении от шва растягивающие усилия сохраняются. Кроме того, устройство

шва не избавляет экран от изгибных деформаций. Поэтому растягивающие напряжения исчезают только на верховой грани ЖБЭ (рисунок 5.49а), а на низовой они сохраняются (рисунок 5.49б). По результатам расчётов, при устройстве одного шва максимальное значение растягивающего продольного напряжения на низовой грани уменьшается с 6,2 МПа до 4,8 МПа, т.е. всего лишь на 23% (рисунок 5.49).

а) верховая грань б) низовая грань

Рисунок 5.49 - Продольные напряжения в железобетонном экране (МПа).

Красная эпюра соответствует неразрезному экрану, зелёная - при устройстве в экране поперечного шва

Таким образом, поперечные швы хоть и улучшают НДС ЖБЭ, но недостаточно эффективно. Швы борются с «симптомами» неблагоприятного НДС ЖБЭ, а не с их причиной.

5.10. Исследование влияния на НДС ЖБЭ последовательности возведения и нагружения плотины (в плоской постановке)

Для выявления влияния на НДС плотины последовательности возведения плотины и заполнения водохранилища был проведён расчёт для случая возведения плотины в 2 очереди. Высота первой очереди была принята равной

62,5 м. Расчёт был произведён как для модели линейно-деформируемой среды (вариант №0), так и для нелинейной модели.

По всем компонентам перемещений, при использовании нелинейной модели получены меньшие значения, чем при использовании модели линейно -деформируемой среды.

Расчёты показали, что изменение схемы возведения плотины оказывает существенное влияние на НДС как самой плотины, но и её ЖБЭ. При возведении в 2 очереди первая очередь вынуждена самостоятельно испытывать гидростатическое давление на первых стадиях строительства. Это приводит к увеличению горизонтальных смещений экрана первой очереди (рисунок 5.50б). Напротив, смещения экрана второй очереди уменьшились.

Изменились также и осадки экрана. При возведении плотины без очередей ЖБЭ испытывал нагрузки только от гидростатического давления и собственного веса. При возведении в 2 очереди, экран первой очереди вынужден испытывать нагрузки от веса плотины 2 очереди. За счёт этого его осадки несколько увеличиваются (рисунок 5.50а). Наибольшее увеличение осадок происходит на гребне плотины первой очереди. Это явление - неблагоприятное, т.к. оно вызывает дополнительный изгиб верхней части экрана первой очереди в сторону нижнего бьефа.

а) б)

Рисунок 5.50 - Осадки (а) и смещения (б) экрана (см) при возведении плотины в 2 очереди. Зелёные линии соответствуют упругой задаче (вар. №0), красные - нелинейной.

Изменение осадок и смещений отражается на величинах нормальных (рисунок 5.51а) и продольных перемещений (рисунок 5.51 б) экрана.

Максимальный прогиб достиг 50,5 см при упругой модели и 39,5 см при нелинейной модели (рисунок 5.51а). Это больше, чем при возведении плотины без очередей.

Зато возведение плотины в 2 очереди благоприятно сказалось на продольные перемещения ЖБЭ (рисунок 5.51б). В частности, раскрытие периметрального шва составило 5^6 см, что на 25^30% меньше, чем при возведении без очередей. Это объясняется тем, экран первой очереди получил дополнительные осадки при восприятии веса плотины второй очереди. Кроме того, нижняя часть ЖБЭ стала испытывать не растягивающее, а сжимающее продольное усилие.

а) б)

Рисунок 5.51 - Нормальные (а) и продольные (б) перемещения экрана (см) при возведении плотины в 2 очереди. Обозначения - см. на рисунке 5.50.

Уменьшение изгибных деформаций и наличие сжимающего продольного усилия благоприятно сказалось на напряжённое состояние нижней части ЖБЭ. Растягивающие напряжения на верховой грани практически исчезли (рисунок 5.52). А на низовой грани растягивающие продольные напряжения не превысили 5,0 МПа при использовании модели линейно-деформируемой среды и 3,6 МПа при использовании нелинейной модели (рисунок 5.53).

Неблагоприятные изменения произошли лишь в верхней части экрана первой очереди, где вследствие изгибных деформаций верховая грань экрана стала испытывать растяжение (рисунок 5.52).

Рисунок 5.52 - Продольные напряжения (МПа) на верховой грани экрана при возведении плотины в 2 очереди. Обозначения - см. на рисунке 5.50.

Рисунок 5.53 - Продольные напряжения (МПа) на верховой грани экрана при возведении плотины в 2 очереди. Обозначения - см. на рисунке 5.50.

Таким образом, последовательность возведения и загружения плотины оказывает существенное влияние на формирование НДС ЖБЭ. При возведении плотины очередями ЖБЭ получает сжимающие усилия за счёт осадок грунтовой насыпи под действием веса частей плотины, которые возводятся на более поздних стадиях строительства. Это улучшает условия работы ЖБЭ.

Обобщение результатов исследований, выполненных на примере решения простых методических задач, позволяет сделать следующие выводы:

1) В направлении вдоль откоса ЖБЭ может испытывать растягивающие напряжения, которые могут стать причиной образования в нём трещин.

2) Основной причиной образования в ЖБЭ растягивающих напряжений являются изгибные деформации. С этой точки зрения наиболее неблагоприятное НДС имеет низовая грань нижней части ЖБЭ.

3) Ещё одной причиной трещинообразования в ЖБЭ может быть появление в нём растягивающих продольных усилий (в направлении вдоль откоса). Растягивающие продольные усилия могут возникать из-за повышенных (по сравнению с осадками) горизонтальных смещений экрана в сторону нижнего бьефа. Необходимо, чтобы при возведении плотины качество уплотнения тела плотины обеспечивало хорошее сопротивление сдвиговым деформациям.

4) Расчёты с учётом нелинейности деформирования грунтов тела плотины позволяют получить более благоприятное НДС ЖБЭ, чем при использовании модели линейно-деформируемой среды, т.к. они учитывают, что к моменту восприятия гидростатического давления деформируемость грунта тела плотины снижается за счёт уплотнения под собственным весом. Однако учёт нелинейности не вносит качественных изменений в НДС ЖБЭ.

Большое влияние на НДС экрана имеет последовательность возведения плотины и наполнения водохранилища. При возведении плотины очередями на нижнюю часть экрана передаются сжимающие усилия от осадок грунтовой насыпи под действием веса выше лежащих слоёв. За счёт этого снижается возможность трещинообразования в экране, и улучшаются условия работы периметрального шва.

5.11. Исследование напряжённо-деформированного состояния железобетонного экрана реальной плотины

Данное исследование было проведено на примере плотины Агуамилпа (Л§иаш11ра, Мексика) максимальной высотой 187 м (рисунок 5.54). Эта плотина была выбрана потому, что известны её осадки по данным натурных наблюдений [Маркес Фильо, Пинто].

В профиле плотины Агуамилпа камень зонирован (рисунок 5.54). Её верховая упорная призма (зона 3В) выполнена из хорошо уплотнённого гравийно-галечникового грунта (слоями по 0,6 м). Низовая призма (зона 3С) выполнена из наброски горной массы (слоями по 1,2 м). Между ними располагается зона из смеси этих грунтов (зона Т). Под плотиной залегает слой аллювиального гравийно-галечникового грунта. Из-под ЖБЭ он удалён и основанием служит скальный грунт.

Рисунок 5.54 - Конструкция плотины Агуамилпа, принятая в расчёте. Л - аллювий основания, 1 Л - крепление защитной призмы камнем, 1 В - экран защитной призмы, 2В - подэкрановая зона, 3В - верховая упорная призма из гравийно-галечникового грунта, 3С - низовая упорная призма из каменной наброски, Т - промежуточная зона из смесь грунтов.

Результаты натурных измерений выявили значительные различия в деформируемости верховой и низовой призм плотины. По показаниям инклинометров, заложенных в тело плотины, на момент окончания возведения

осадки низовой призмы достигли 170 см, в то время как верховой призмы не превысили 70 см (рисунок 5.55) [Relevant aspects of the geotechnical Design...]. По сравнению с высотой плотины осадки составили соответственно 0,9% и 0,37%.

Е|. 235.00

Рисунок 5.55 - Осадки (см) плотины Агуамилпа по данным натурных наблюдений

После первого наполнения прогиб железобетонного экрана составил около 15 см [Маркес Фильо, Пинто].

Для данной плотины нами была составлена численная модель, которая включала в себя 465 конечных элементов высокого порядка и насчитывала 4390 степеней свободы. Расчётная схема предусматривала наполнение водохранилища лишь после завершения возведения плотины.

При расчётах грунт тела плотины принимался линейно деформируемым. Модули деформации грунтов тела плотины устанавливались подбором из условия соответствия расчётных осадок натурным. Было установлено, что модуль деформации зоны грунта зоны 3B составил 500 МПа (коэффициент Пуассона у=0,19), а горной массы (зона 3С) - 30 МПа (коэффициент Пуассона у=0,30), смеси грунтов - 90 МПа. При таких модулях расчётные осадки плотины соответствуют натурным (рисунок 5.56). По сравнению с принятыми нами в расчётах характеристиками камня тела плотины (60 МПа), в зоне 3С деформируемость камня в 2 раза выше, а в зоне 3B - ниже в 8 раз. Таким образом, камень в современных плотинах хорошо уплотняется.

V 220

V 230

шкала осадок [см] _

0 10 20 40 70 100 150 Рисунок 5.56 - Осадки реальной плотины по результатам расчётов

По результатам расчётов напряжённое состояние неоднородной плотины характеризуется зависанием низовой упорной призмы на промежуточной зоне, а промежуточной зоны - на верховой призме. В результате этого концентрация сжимающих напряжений ау в зоне 3 В достигает свыше 5 МПа (рисунок 5.57). Из-за неравномерных осадок плотины её верхняя часть испытывает дефицит сжимающих напряжений ах (рисунок 5.58).

По нашим расчётам максимальный прогиб ЖБЭ на момент окончания наполнения водохранилища составил 17,6 см (рисунок 5.59). Он близок к измеренному в натуре, но отличается от него на 20% в большую сторону. Маленькая величина прогиба подтверждает то, что в зоне 3В камень действительно имеет очень высокий модуль деформации. Превышение расчётных прогибов над натурными, по нашему мнению, связано с тем, что использовалась модель линейно-деформируемой среды, а рост модуля с учётом обжатия грунта не учитывался.

По результатам расчётов при наполнении водохранилища максимальное смещение ЖБЭ составило 14,0 см (рисунок 5.60а), а максимальная осадка -11,9 см (рисунок 5.60б). На всём протяжении экрана осадки меньше, чем его смещения.

-5,0 -4,5 -4,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Рисунок 5.57 - Напряжения ^ в теле плотины (вариант реальной плотины)

-1,2 -1,0 -0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 Рисунок 5.58 - Напряжения ox в теле плотины (вариант реальной плотины)

Рисунок 5.59 - Прогибы (см) экрана плотины по результатам расчётов. Красной линией показаны эпюры для реальной плотины, зелёной - для альтернативного варианта устройства плотины.

а) б)

Рисунок 5.60 - Перемещения (см) экрана плотины по результатам расчётов. а - смещения, б - осадки. Красной линией показаны эпюры для реальной плотины, зелёной - для альтернативного варианта устройства плотины.

При таких небольших перемещениях напряжённое состояние ЖБЭ оказалось крайне неблагоприятным - его изгиб мал, но он испытывает значительные растягивающие усилия. Максимальное растягивающее продольное напряжение в ЖБЭ составило на верховой грани 2,8 МПа (рисунок 5.61а). На низовой грани за счёт изгиба оно достигло 4,3 МПа (рисунок 5.61б).

а) б)

Рисунок 5.61 - Продольные напряжения (МПа) на гранях экрана плотины по результатам расчётов. а - на верховой грани, б - на низовой грани. Цветовые обозначения эпюр см. на рисунке 5.60.

Появление в ЖБЭ растягивающих усилий объясняется тем, что смещения экрана превышают её осадки. Чтобы уменьшить смещения необходимо отказаться от зонирования плотины, предусматривающего укладку в низовую призму плохо уплотнённого камня.

Для сравнения был проведён расчёт для случая однородной плотины, в которой модуль деформации составляет 200 МПа, т.е. меньше, чем средний модуль грунтов неоднородной плотины. Но он в 3,3 раза выше чем тот, который мы приняли в других расчётах.

По результатам расчётов, максимальные осадки однородной плотине не превысили 58 см, т.е. 0,32% от высоты плотины. Это соответствует плотинам с качественным уплотнением камня.

В альтернативном варианте прогиб ЖБЭ составил почти в 2 раза больше, чем в реальном, - 29,8 см (рисунок 5.59), однако его напряжённое состояние оказалось более благоприятным. Растягивающих продольных усилий в нём практически не возникло. Верховая грань ЖБЭ оказалось сжатой (рисунок 5.61а), а растягивающие напряжения на низовой грани не превысили 4,3 МПа (рисунок 5.61 б). Сравнение значений прогибов и напряжений с найденными по эмпирическим формулам (5.3-5.5) показало хорошее совпадение.

Таким образом, однородная плотина с менее качественным уплотнением камня оказывается более надёжной, чем неоднородная плотина с высоким качеством уплотнения. Применив однородную строение плотины в сочетании с достаточным уплотнением камня и правильной последовательностью возведения и загружения плотины, можно добиться надёжной работы ЖБЭ даже в сверхвысоких плотинах.

Данное исследование показало следующее:

1) Современные технологии позволяют достигать высокого качества уплотнения камня. Модули деформации камня могут достигать очень высоких значений - 200^500 МПа. Этим объясняются очень малые прогибы экранов современных плотин. Высокое качество уплотнения камня даёт возможность

достичь благоприятного напряжённого состояния в экране даже сверхвысоких плотин.

2) Несмотря на высокое качество уплотнения камня в теле современных плотин с ЖБЭ, применяемая на практике их типовая конструкция способствует образованию в экране трещин. Обычно принимают, что неблагоприятное НДС ЖБЭ возникает из-за повышенных осадок каменной наброски, поэтому стремятся как можно более качественно уплотнить грунт в верховой призме, чтобы снизить эти осадки. В низовую же призму укладывают камень с меньшим качеством уплотнения. Однако неблагоприятное НДС экрана возникает не из-за повышенных осадок тела плотины, а из-за его повышенных смещений. А величина смещений определяется не только работой верховой, но и низовой призмы тоже. Применяемая схема зонирования камня способствует формированию неблагоприятного НДС ЖБЭ. Более рационально использовать однородную конструкцию плотины с достаточным качеством уплотнения.

3) Для укладки в тело плотины предпочтительно применять гравийно-галечниковый грунт нежели, чем горную массу, т.к. его можно уплотнить более качественно, достигнув низкой деформируемости.

4) В современных плотинах при зонировании камня деформируемость камня разных зон плотины может сильно различаться - на порядок и даже более. Принятый нами в расчётах модуль деформации камня соответствует довольно слабому по качеству укладки камню. Т.к. в современных плотинах камень зонирован по профилю, то их максимальные осадки, измеренные в натуре, относятся к слабо уплотнённой зоне низовой призмы. ЖБЭ укладывается на более уплотнённый грунт, чем принятый нами в расчётах.

На плотине Нам Нгам 2 (Nam Ngum 2) средние модули деформации зоны составили: для зоны 3B - 150 МПа, для зоны 3С - 60 МПа [Khamwongkhong, Maiming].

5.12. Исследование условий формирования пространственного НДС железобетонного экрана

Исследования НДС плотины в условиях плоской деформации выявили причины образования в ЖБЭ горизонтальных трещин. Однако они не позволяют проанализировать причины образования вертикальных и наклонных трещин, для этого нужны исследования в пространственной постановке.

Исследования НДС плотины с ЖБЭ в пространственной постановке были проведены на примере плотины той же конструкции. Рассматривалась плотина высотой 100 м в широком створе трапецеидальной формы. Ширина русловой части долины составила 96 м. Борта долины были приняты пологими (с уклоном 1:1). Длина плотины по гребню составила 391 м.

Исследования проводились с учётом нелинейного характера поведения каменной наброски и нелинейных эффектов работы контактов элементов конструкции. В численной модели сооружения учитывалось наличие в ЖБЭ вертикальных швов, а также периметрального шва на контакте ЖБЭ со скальным основанием. Кроме того, была предусмотрена возможность проскальзывания грунта тела плотины относительно скальных бортов и основания.

Т.к. форма створа была принята симметричной, то при создании численной модели рассматривалась только левобережная половина плотины. Численная модель сооружения состояла из 3569 конечных элементов и имела 22346 степеней свободы.

Рассматривались две схемы возведения плотины - без очередей и в 2 очереди.

Исследования для схемы возведения без очередей позволили выявить основные особенности НДС ЖБЭ в пространственных условиях. Оно характеризуется более неравномерным характером деформаций ЖБЭ. Это связвно с неравномерными деформациями каменной наброски, которая "зависает" на скальных бортах. Среди основных особенностей деформаций ЖБЭ в пространственных условиях необходимо выделить следующие:

• ЖБЭ испытывает изгиб в двух направлениях (вдоль откоса и от борта к борту). Максимальное горизонтальное смещение их (в направлении вдоль русла) и максимальная осадка иу наблюдаются в центре экрана (рисунок 5.62). Они составляют соответственно 21,3 см (рисунок 5.62а) и 20,8 см (рисунок 5.62б).

• Максимальный прогиб экрана (29,3 см, рисунок 5.63а) в пространственных условиях меньше, чем в плоских условиях (меньше на 27%);

• Неравномерное распределение осадок и смещений экрана вызывает перемещения ЖБЭ в направлении от бортов к руслу. Максимальные перемещения и2 достигают 2,4 см (рисунок 5.64а);

I

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Рисунок 5.62 - Смещения и осадки ЖБЭ (возведение без очередей). а - смещения в направления из верхнего бьефа в нижний, б - осадки.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Рисунок 5.63 - Прогибы железобетонного экрана. а - возведение в 1 очередь, б - в 2 очереди

V 100,0

а) в направлении от борта к борту б) в направлении вдоль откоса

шкалы перемещений [см]

от борта к борту: 0 4 8

12 16 20 24 28 32 36 40

вдоль откоса: 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4 5 6 7

Рисунок 5.64 - Перемещения железобетонного экрана в направлениях от борта к борту (а) и вдоль откоса (б)

• ЖБЭ испытывает неравномерные перемещения в направлении вдоль откоса (рисунок 5.64б), которые являются следствием неравномерности его осадок и смещений ЖБЭ. В русле продольные смещения достигают 5,4 см, а к скальным бортам уменьшаются до 0. Неравномерность распределения продольных перемещений ЖБЭ компенсируется межсекционными швами.

Все описанные выше деформации ЖБЭ сопровождаются перемещениями в периметральном шве - шов раскрывается, экран получает контурные прогибы, а также продольные смещения вдоль контура шва.

Периметральный шов раскрылся по всей своей длине. Максимальное раскрытие на русловом участке (51 мм), что больше, чем на бортовом участке (45 мм) (рисунок 5.65а). Вдоль контура периметрального шва прогибы экрана не равны 0. Максимальный краевой прогиб экрана наблюдается на участке скального борта и составляет 54 мм (рисунок 5.65б). На русловом участке он достигает лишь 28 мм.

Горизонтальные смещения экрана и2 в направлении от борта к борту, малы, не превышают 2,4 см.

Результатом всех смещений экрана являются смещения, которые происходят вдоль контура периметрального шва, в плоскости экрана (рисунок 5.65в). На русловом участке смещения направлены в сторону русла, а на бортовом - в основном от подошвы к гребню. На наклонном участке примыкания к борту они достигают 32 мм.

X 34 со го

13 22

Рисунок 5.65 - Перемещения в периметральном шве (мм). а - раскрытия, б - контурные прогибы, в - продольные смещения Закрашенные эпюры соответствуют схеме возведения плотины в 2 очереди, не закрашенные - схеме возведения без очередей.

Описанная схема деформирования экрана приводит к появлению в экране как сжимающих, так и растягивающих напряжений. Т.к. касательные напряжения на верховой грани плотины равны 0 или близки к 0, то два главных напряжения действуют в плоскости экрана, а третье - перпендикулярно к ней. Величина последнего определяется гидростатическим давлением.

Как и в плоской задаче было получено, что в направлении вдоль откоса экран может испытывать растяжение. В рассмотренном случае растягивающие максимальные главные напряжения а! возникают в нижней части экрана. На верховой грани они невелики (до 1,3 МПа - рисунок 5.66а) и могут быть восприняты арматурой.

На низовой грани растягивающие напряжения а1 существенно выше. Их максимальное значение составляет 5,4 МПа (рисунок 5.66б). Область растягивающих напряжений а1 идёт полосой шириной 30 м вдоль периметрального шва. Причиной образования высоких растягивающих напряжений на низовой грани являются изгибные деформации, которые испытывает нижняя часть экрана. Краевые прогибы экрана хотя и несколько снижают изгибные деформации, однако не «гасят» их. Растягивающие напряжения многократно превышают сопротивление бетона растяжению, поэтому могут стать причиной трещинообразования в экране. Трещины в этой зоне будут располагаться параллельно скальному борту (в русловой части - горизонтально), а именно такого направления трещины и наблюдались в некоторых плотинах.

V 100,0

а) верховая грань

V

1,6

V 100,0

б) низовая грань

V

1,6

шкала напряжений [МПа] -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

6

3 4 5

Рисунок 5.66 - Максимальные главные напряжения а1 в железобетонном

экране (возведение без очередей)

Т.к. в нижней части экрана уровень сжатия на верховой грани меньше, чем растяжение на низовой, то в среднем ЖБЭ испытывает растягивающее усилие в направлении вдоль откоса. Такой же эффект был получен нами ранее и для условий плоской задачи.

В верхней части экран в направлении вдоль откоса экран оказывается сжат промежуточным главными напряжениями а2.

Минимальные главные напряжения а3 в большей части экрана действуют в направлении от борта к борту, они близки по величине к напряжениям а2. Исключение составляют дальние от русла секции ЖБЭ. Во

всех секциях напряжения а3 - сжимающие. Уровень сжатия больше в русловых секциях, но своего максимум она достигает в секциях, в которых русловой и бортовой участок смыкаются (рисунок 5.67а). Причиной сжатия экрана в направлении от борта к борту являются смещения экрана и2, которые направлены от скальных бортов к руслу.

На верховой грани (рисунок 5.67а) сжимающие напряжения а3 несколько больше, чем на низовой (рисунок 5.67б) за счёт изгибных деформаций экрана. Их максимальные значения составляют соответственно 6,5 МПа и 5,7 МПа.

V 100,0

V

а) верховая грань

V

б) низовая грань

00,0

V 1

Рисунок 5.67 - Минимальные главные напряжения а3 в железобетонном экране (возведение без очередей). Шкалу напряжений см. на рисунке 5.66.

Большинство вертикальных межсекционных швов сжаты, раскрываются швы только в крайних бортовых секциях (рисунок 5.68). За счёт их раскрытия крайние секции экрана испытывают сжатие в направлении от борта к борту.

V 100,0

а) верховая грань

V 1

б) низовая грань

V 100,0

V

1,6

Рисунок 5.68 - Состояние межсекционных швов в железобетонном экране.

Красным выделены раскрытые швы, розовым - сомкнутые швы, раскрывавшиеся на некоторых этапах, зелёным - сомкнутые швы без нарушений, жёлтым -сомкнутые швы со сдвиговыми нарушениями.

Однако можно утверждать, что вертикальные швы практически не участвуют в борьбе с трещинообразованием в экране. Для этого был проведён специальный расчёт НДС экрана без вертикальных швов (рисунки 5.69, 5.70).

V 100,0 V 100,0

Рисунок 5.69 - Максимальные главные напряжения а1 в экране без вертикальных швов. Шкалу напряжений см. на рисунке 5.66.

Рисунок 5.70 - Минимальные главные напряжения а3 в экране без вертикальных швов. Шкалу напряжений см. на рисунке 5.66.

Отсутствие вертикальных швов практически не повлияло на прогибы экрана. Почти не изменились и напряжения а1 (рисунок 5.Б9), т.к. они действуют в направлении вдоль откоса, а не поперёк шва. Несколько увеличился уровень сжатия в направлении от борта к борту (по напряжениям а3). Наибольшие значения напряжения а3 составили 8,3 МПа на верховой грани (рисунок 5.70а) и 5,9 МПа - на низовой (рисунок 5.70б).

Таким образом, разрезка экрана межсекционными швами повышает сжатие по напряжения а3, но почти не уменьшает растяжение по а1.

Исследования формирования пространственного НДС при возведении плотины в 2 очереди показали, что поэтапное возведение и загружение ЖБЭ

благоприятно сказывается на его НДС. Это происходит за счёт того, что ЖБЭ первой очереди получает сжимающее продольное усилие за счёт осадок плотины 1ой очереди под действием веса плотины второй очереди. Улучшение НДС выражается в уменьшении перемещений в периметральном шве, уменьшении изгибных деформаций и снижении уровня растягивающих напряжений в экране.

Рисунок 5.65а показывает, что за счёт возведения в 2 очереди раскрытие периметрального шва уменьшается примерно на 25^30%. А контурные прогибы практически не изменяются.

Однако возведение плотины в 2 очереди имеет и негативный эффект -локальный рост прогибов ЖБЭ первой очереди на границе со 2ой очередью (рисунок 5.62б). Такой же эффект получен и при решении плоской задачи -увеличение прогиба связано с деформациями плотины первой очереди под действием веса второй очереди плотины ЖБЭ экран. Результатом локального увеличения прогибов является изгиб ЖБЭ плотины 1ой очереди, в результате которого на верховой грани ЖБЭ образуются небольшие растягивающие напряжения а1 (рисунок 5.71а).

экране (возведение в 2 очереди). Шкалу напряжений см. на рисунке 5.66.

Зато при возведении плотины в 2 очереди исчезла область растягивающих напряжений а1 в нижней части ЖБЭ (рисунок 5.71а) и несколько уменьшились значения растягивающих напряжений а1 на низовой грани (рисунок 5.71б).

Уровень сжатия по минимальным главным напряжениям а3 в экране первой очереди возрос (рисунок 5.72).

>

а) верховая грань

V 62

V

1,6

V

б) низовая грань

2

5

V 1,6

Рисунок 5.72 - Минимальные главные напряжения а3 в железобетонном экране (возведение в 2 очереди). Шкалу напряжений см. на рисунке 5.66.

5

Выводы об особенностях пространственного НДС ЖБЭ:

1) В пространственных условиях, даже при широком створе, экран испытывает изгибные деформации в двух направлениях, как вдоль откоса, так и поперёк него. В широком створе больше проявляется изгиб в направлении вдоль откоса. Эти изгибные деформации приводят к раскрытиям периметрального шва, а также к контурным прогибам плит ЖБЭ;

2) Экран может испытывать изгиб даже в плоскости экрана (похожий на кручение), т.к. в русловой части он более интенсивно смещается в направлении вдоль откоса, чем у бортов. Однако этот изгиб очень мал и практически не влияет на НДС экрана даже при отсутствии вертикальных межсекционных швов;

3) Все особенности НДС ЖБЭ, характерные для плоских условий, сохраняются и при работе в пространственных условиях широкого створа:

- экран может испытывать растягивающие усилия, которые приводят к раскрытию периметрального шва,

- на низовой грани экрана могут возникать растягивающие напряжения в направлении вдоль откоса, которые являются следствием изгибных деформаций экрана.

Однако всё же в пространственных условиях НДС экрана несколько благоприятнее, чем в плоских, за счёт того, что взаимодействие со скальными бортами приводит к уменьшению горизонтальных смещений плотины;

4) В направлении от борта к борту экран в основном испытывает сжатие за исключением дальних от русла бортовых секций. Это сжатие довольно велико. Поэтому образование в ЖБЭ ряда плотин вертикальных трещин следует связывать с нарушением прочности бетона на сжатие;

5) Вертикальные межсекционные швы мало влияют на НДС экрана, т.к. за исключением крайних бортовых секций экран сжат в направлении от борта к борту. Разрезка экрана вертикальными швами в основном предназначена для восприятия температурных деформаций, а также для восприятия деформаций кручения;

6) Низовая грань экрана более опасна с точки зрения трещинообразования, в ней выше растяжение по а1. Изгиб плиты ЖБЭ приводит к появлению растяжения на низовой грани практически всех секций. Направление возможных трещин будет параллельным периметральному шву.

5.13. Анализ влияния формы створа на формирование пространственного НДС железобетонного экрана

Задачи исследования. Анализ особенностей формирования пространственного НДС каменно-набросной плотины с ЖБЭ (п.5.12) показал, что даже в широком створе (коэффициент створа 4) рельеф местности, геометрия плотины оказывает существенное влияние на НДС экрана. Поэтому вопрос о влиянии формы створа на НДС ЖБЭ представляется важным, т.к. высокие каменно-набросные плотины часто строятся в нешироких створах (рисунок 5.18 Приложения).

За последние годы разными авторами уже выполнен ряд численных исследований по выявлению влияния топографических условий на НДС ЖБЭ [Song, Wang; Cheng, Zhang, Zhang, Wan; Dakoulas, Thanopoulos, Anastassopoulos; Dang, Wang, Tian, Xu; Dang, Yang, Xue, Fang]. Однако они выполнены по иным методикам, для других моделей деформируемости каменной наброски, и часто не

выявляют образование в экранах растягивающих напряжений. Поэтому нам также необходимо выполнить подобные исследования.

Интерес представляет поведение плотин с ЖБЭ в узких створах, опасность образования в них трещин. Основная задача - ответить на следующие 2 вопроса:

1) Возможно ли образование растягивающих напряжений и горизонтальных/наклонных трещин в ЖБЭ в условиях узких створов?;

2) Как влияет форма створа на величины сжимающих напряжений и опасность образования в ЖБЭ вертикальных трещин?

Чтобы ответить на эти вопросы, были проведены расчёты НДС плотины высотой 100 м в симметричных створах различной формы. Варьировались ширина русловой части створа и наклон скальных бортов.

Во всех вариантах форма ущелья принималась трапецеидальной. Варианты различались наклоном бортов и шириной руслового участка плотины. Заложение бортового склона принималось равным 0,5, 1, 1,5 или 2, ширина русловой части -24, 96 или 216 м. Всего было получено 9 вариантов конфигурации створа (рисунок 5.73). Варианты обозначены двойной нумерацией. Цифра указывает на уклон борта, а буква кодирует ширину русла. Вариант №2Ь (или №0) соответствует ранее рассмотренному в п. 5.12. В таблице 5.1 Приложения указаны количественные параметры сеток МКЭ для различных вариантов конфигурации створов.

Расчёты проводились для двух схем последовательности возведения плотины [Саинов. Оценка влияние..., 2016; Саинов. Влияние формы створа..., 2016]. Но в данном пункте анализируются результаты только для схемы возведения плотины без очередей.

На рисунках 5.74-5.83 представлены результаты расчёта НДС только для вариантов № 1а, 1с, За, 3с, 4с как наиболее отличающихся друг от друга и от варианта №0, описанного ранее.

Рисунок 5.73 - Геометрия расчётных створов

Влияние геометрии створа на деформации экрана. Расчёты показали, что наибольшее влияние на формирование пространственного НДС экрана оказывает ширина русловой части створа, а наклон скальных бортов имеет существенно меньшее значение. В узких створах за счёт трения камня по скальному борту заметно (примерно на 20^25%) уменьшаются осадки плотины, а смещения - ещё более значительно (примерно в 2 раза) (таблица 5.2 Приложения). За счёт этого уменьшаются перемещения экрана.

Анализ показывает, что во всех широких (варианты 1а, 1Ь, 2а, За, 4а) створах прогибы экрана примерно одинаковы - 29^30 см (таблица 5.2 Приложения, рисунок 5.74). В узких створах максимальный прогиб экрана уменьшается (рисунок 5.75). Самое минимальное значение прогиба (18,9 см) экран имеет в варианте 4с, в котором скальное ущелье - самое узкое. По сравнению с прогибом в варианте №0, данный прогиб меньше на 35%.

V 100,0

а) вариант №1а

\

в) вариант №3а

V 1,6

V 100,0

V 100,0

б) вариант №1с

V 100,0

,6

V 1,6

V 100,0

г) вариант №3с

V 1,6\Ь

д) №4с V 1,6

шкала прогибов [см]:

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Рисунок 5.74 - Прогибы железобетонного экрана в створах разной конфигурации (возведение без очередей)

35 30 25 20 15 10

0.0

0.5

ип, см

т

-о-2 —1.5 --1 —0.5

Ь/В

1.0

1.5

2.0

2.5

Рисунок 5.75 - График изменения максимальных прогибов экрана в створах разной конфигурации (возведение без очередей)

Зависимость величины максимального прогиба ЖБЭ от конфигурации створа хорошо аппроксимируется формулой:

и =

р

ип

кк ип

(5.21)

П (а + Ь Р)

Здесь иПлосК - максимальный прогиб ЖБЭ для плоских условий, а, Ь, к - эмпирические показатели, Р - относительная приведённая ширина створа.

Величина Р зависит от ширины русловой части створа Ь, высоты плотины Н и заложения скального створа:

(5.22)

Р= Ь + еша. Н

Эмпирические показатели получены следующими: с = 0,517, ё=0,б26, а=0,795, Ь=0,290, к=2,169.

Величины контурных прогибов ЖБЭ мало зависят от конфигурации створов (рисунок 5.76, таблица 5.3 Приложения)4. На бортовых участках контурные прогибы всегда примерно в 1,5 раза больше, чем на русловых.

г_2.100

б) вариант №1с

1,6

100

г) вариант №3с

16

1,6

Рисунок 5.76 - Контурные прогибы (мм) железобетонного экрана

в периметральном шве для створов разной конфигурации. Закрашенные эпюры соответствуют схеме возведения плотины в 2 очереди, незакрашенные - схеме возведения без очередей.