Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ОБОБЩЕНИЕ И КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮ
ЩИХ КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ
ФИЛЬТРАЦИОННОГО РАСЧЕТА ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН С
ГРУНТОВЫМИ И НЕГРУНТОВЫМИ
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ 14
1.1 Земляные плотины с грунтовым противофильтрационным устройст
вом в виде ядра 14
Конструкции земляных плотин с ядром 14
Методы фильтрационного расчета земляных плотин с ядром 17
Земляная плотина с прямоугольным ядром 19
Земляная плотина с трапецеидальным ядром 27
1.2 Земляные плотины с противофильтрационным устройством в виде
грунтовых призм 32
Конструкции земляных плотин с грунтовыми призмами 33
Методы расчета фильтрации в земляных плотинах с грунтовыми призмами 34
Земляная плотина с верховой грунтовой призмой 34
Земляная плотина с центральной грунтовой призмой 37
Земляная плотина с низовой грунтовой призмой 42
1.3 Земляные плотины с негрунтовым противофильтрационным
устройством в виде несовершенной диафрагмы 44
1.3.1 Конструкции земляных плотин с несовершенной диафрагмой.... 44
1.3.2 Методы расчета фильтрации в земляной плотине с
несовершенной диафрагмой 46
1.4 Сопряжения противофильтрационных устройств земляных плотин с
основанием 51
Выводы по главе 1 54
ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ФИЛЬТРАЦИОННОГО РАСЧЕТА ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН С ЯДРОМ ПРИ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ДРЕНАЖА 55
2.1 Учет влияния наличия подпора воды на низовой грани ядра на
фильтрационный расход при осреднении толщины ядра 57
2.2. Предлагаемый метод расчета фильтрации через земляную плотину с
ядром и наслонным дренажем 61
Земляная плотина с ядром несимметричного профиля {т\т2).. 61
Земляная плотина с ядром симметричного профиля (mi=m2) 72
Земляная плотина с ядром, имеющим вертикальную верховую грань (mi=0; я?2 < 1) 79
Земляная плотина с ядром прямоугольного профиля {т\-т2=0) 81
2.3 Расчет фильтрации через земляную плотину с ядром и внутренним
(пластовым, ленточным и др.) дренажом 86
Земляная плотина с ядром несимметричного профиля {т\Фт2).. 86
Земляная плотина с ядром симметричного профиля {т\=т2) 89
Земляная плотина с ядром имеющим, вертикальную верховую грань (mi=0; т2 < 1) 91
Земляная плотина с ядром прямоугольного профиля (т\= /«2=0) 93
2.4 Расчет фильтрации через земляную плотину с ядром при наличии
4
сильнопроницаемой упорной призмы (кг—»оо) 95
2.4.1 Земляная плотина с ядром и сильнопроницаемой верховой
упорной призмой кт —> оо и наслонным дренажем 95
Земляная плотина с ядром и сильнопроницаемой низовой упорной призмой кт —> оо gg
Земляная плотина с ядром и сильнопроницаемыми верховой и низовой упорными призмами (квт —»оо;А^.' —>со)
Выводы по главе 2 ЮЗ
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО РАСЧЕТА ЗЕМЛЯННЫХ
ПЛОТИН С ГРУНТОВЫМИ ПРИЗМАМИ 104
3.1 Метод фильтрационного расчета земляной плотины с вер-
ховои грунтовой призмой
3.2 Фильтрационный расчет земляной плотины с централь-
ной грунтовой призмой
3.3 Фильтрационный расчет земляной плотины с низовой грун-
товои призмой
3.3.1 Земляная плотина с низовой грунтовой призмой и наслонным
114
дренажем
3.3.2 Земляная плотина с низовой грунтовой призмой и внутренним
119
дренажем
123
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА ФИЛЬТРАЦИОННОГО
РАСЧЕТА ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН С НЕГРУНТОВЫМ
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМ УСТРОЙСТВОМ
НЕСОВЕРШЕННОЙ ДИАФРАГМОЙ 124
4.1 Земляная плотина с противофильтрационной диафрагмой 124
4.2 Экспериментальные исследования фильтрации (методом ЭГДА) в
земляной плотине с пластовым дренажем и несовершенной диа
фрагмой 124
Цель и задачи экспериментальных исследовании 124
Основы моделирования фильтрации методом ЭГДА 126
Методика моделирования фильтрации в земляных плотинах
с несовершенной диафрагмой 128
4.3 Разработка нового метода расчета фильтрации в земляной плотине с
пластовым дренажем и несовершенной противофильтрационной
диафрагмой 142
4.4 Расчет фильтрации в земляной плотине с несовершенной противо-
фильтрационной диафрагмой и вертикальным дренажем 146
Выводы по главе 4 149
ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТНОМУ ОБОСНОВАНИЮ
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
ЗЕМЛЯННЫХ ПЛОТИН 150
5.1 Расчетные зависимости по фильтрационному расчету земляных
плотин с ядром (несимметричным, симметричным, с вертикальной
верховой гранью, прямоугольного профиля) 150
Фильтрационный расход 150
Высота высачивания (для внутреннего дренажа - величина захода кривой депрессии) 150
Положения кривой депрессии 151
5.2 Расчетные зависимости по фильтрационному расчету земляных пло-
тин с грунтовыми призмами (верховой, центральной, низовой) 151
Фильтрационный расход 151
Высота высачивания (для низовой грунтовой призмы) 152
Положения кривой депрессии 152
Расчетные зависимости по фильтрационному расчету земляных плотин с негрунтовым противофильтрационным устройством в виде несовершенной диафрагмы 153
Расчетные зависимости по фильтрационному расчету земляной пло-
тины с комбинированным дренажем 154
5.5 Совершенствование конструкции противофильтрационного устрой-
ства (зуба) земляной плотины на проницаемом основании малой
мощности 158
5.6 Противофильтрационная защита земляных водоподпорных соору-
жений с водоводами 164
5.6.1 Водопропускные сооружения в теле земляных плотин 164
5.6.2 Водопропускные сооружения в составе противоселевых
гидроузлов 174
Выводы по главе 5 175
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 176
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 179
ПРИЛОЖЕНИЯ 191
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В решении современных проблем развития экономики страны значительная роль отводится дальнейшему совершенствованию строительства водохозяйственных объектов, обеспечивающих комплексное использование водных ресурсов для нужд энергетики, орошения, водоснабжения, судоходства, рыбоводства, а также охрану водных источников от загрязнений и истощения. Решение этой проблемы предполагает строительство большого числа водоподпорных сооружений, в том числе и грунтовых плотин, которые получили чрезвычайно широкое распространение - до80- 90% из всех типов плотин. Это обусловлено, прежде всего, такими объективными факторами, как: использованием в теле плотины дешевых близлежащих местных грунтов и грунтов полезных выемок; возможностью строительства в тяжелых инженерно-геологических и сейсмических условиях; появлением мощных машин и механизмов для разработки, транспортировки и уплотнения грунтов; большими научными достижениями в области механики грунтов и фильтрационных расчетов плотин.
Вместе с тем в практике отечественного и зарубежного плотиностроения нередки случаи повреждений или разрушений грунтовых плотин, в том числе с человеческими жертвами и большими материальным и экологическим ущербами, как, например [8; 28; 51; 54]:
на плотине Соут Форк (США, НПл=21.5м) при разрушении которой образовалось волна высотой до 12 м, что привело к гибели около 2500 человек[34];
на плотине Махчу — II (Индия, Нпл=62м) в 1979 г., вследствие аварии которой было затоплено 68 деревень с жертвами около 2000 человек[51];
8 - на плотине Титон (США, Нпл=93м), разрушение которой в 1976 году
привело к гибели людей и чрезвычайно большому материальному ущербу и
др. [51; 34; 62].
Из общего числа аварии всех плотин доля грунтовых плотин составляет 60-70 %, из которой более 70% приходится на средне- и низконапорные земляные плотины [22; 33; 46].
Одной из основных причин аварий и повреждений таких земляных плотин
является негативное воздействие на них фильтрационного потока,
возникающего в теле плотины, для борьбы с которым во многих случаях
используют грунтовые (ядра, призмы) и негрунтовые (диафрагмы)
противофильтрационные устройства [26, 27, 37, 119;]. Поэтому при
проектировании и строительстве земляных плотин с
противо фильтрационными устройствами важное значение имеет правильное определение в них характеристик фильтрационного потока, таких как фильтрационный расход, положение депрессионной кривой, высота участка высачивания на низовых гранях ядра и грунтовых призм и др. Решение указанной задачи и определяет актуальность выбранной темы диссертационной работы по совершенствованию методов фильтрационного расчета земляных плотин с грунтовыми и негрунтовыми противофильтрационными устройствами в виде ядер, грунтовых призм и диафрагм. Работа выполнена в рамках решения проблемы «Безопасность гидротехнических сооружений»
Целью работы является разработка на основе теоретических и экспериментальных исследовании усовершенствованных методов фильтрационного расчета земляных плотин с грунтовыми и негрунтовыми
9 противофильтрационными устройствами и рекомендации по их расчетному
обоснованию и проектированию.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные
задачи:
обзор и критический анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства земляных плотин с грунтовыми и негрунтовыми противофильтрационными устройствами и методов их фильтрационного расчёта;
усовершенствование на основе теоретических и экспериментальных исследований методов фильтрационного расчета земляных плотин с противофильтрационными устройствами в виде ядер различного профиля с учетом влияния подпора воды со стороны его низовой грани при разных типах дренажных устройств;
разработка нового комбинированного метода фильтрационного расчета земляных плотин с грунтовыми призмами (верховой, центральной и низовой), в том числе с учетом наличия дренажных устройств;
разработка нового метода расчёта фильтрации в земляных плотинах с противофильтрационным устройством виде несовершенной противофильтрационной диафрагмы с определением всех необходимых параметров фильтрации;
составление рекомендаций по расчетному обоснованию и проектированию земляных водоподпорных сооружений с противофильтрационными устройствами при различных типах дренажа, в том числе при наличии проницаемого основания и водопропускных сооружений.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований по
10 описанию характера движения фильтрационного потока в земляной плотине с
грунтовыми и негрунтовыми противофильтрационными устройствами.
Теоретические исследования фильтрации выполнялись на основе гидравлических методов расчета фильтрации с использованием отдельных результатов, полученных гидромеханическими методами расчета. Лабораторные экспериментальные исследования выполнялись методом электрогидродинамических аналогий на приборе ЭГДА 9-60, в которой в качестве токопроводящей среды служила электропроводная бумага. Для обоснования полученных теоретических результатов использовались также данные экспериментальных исследований (гидродинамические сетки, построенные по методу ЭГДА и численным методом) других авторов, в том числе зарубежных.
Достоверность научных результатов. Основные положения, выводы и рекомендации обоснованы сопоставлением результатов полученных в работе расчетных зависимостей с данными, полученными из опытов по методу ЭГДА, с данными гидродинамических сеток течения фильтрационного потока, построенных как отечественными, так и зарубежными исследователями, а также с результатами известных аналитических методов исследований. Экспериментальные исследования методом ЭГДА автором проводились по апробированной методике с использованием аттестированных приборов и измерительных устройств.
Научная новизна работы заключается в следующих, выносимых на защиту, положениях:
- усовершенствован метод фильтрационного расчета земляных плотин с ядром (несимметричным, симметричным, с вертикальными гранями и с вертикальной верховой гранью) при различных типах дренажа (наслонном,
пластовом и др.) с учетом влияния на осреднение толщины ядра подпора воды со стороны его низовой грани;
- обоснован комбинированный метод по определению основных
параметров фильтрации (фильтрационного расхода, высоты высачивания и
положения кривой депрессии и др.) для земляных плотин с грунтовыми
противофильтрационными призмами (верховой, центральной и низовой);
- разработан новый метод фильтрационного расчета земляных плотин с
противофильтрационным устройством в виде несовершенной диафрагмы,
позволяющий рассчитать все необходимые параметры фильтрации, такие как
фильтрационный расход, высоту высачивания и положение кривой депрессии
и др.;
составлены рекомендации по расчетному обоснованию и проектированию земляных плотин с грунтовыми и негрунтовыми противофильтрационными устройствами при различных типах- дренажа (наслонном, пластовом, комбинированном и др.) и разработкой новой конструкций противофильтрационного устройства земляной плотины на проницаемом основании в виде зуба с криволинейной (круговой) низовой гранью, а также рекомендации по противофильтрационной защите водопропускных сооружений в составе противоселевого гидроузла.
Техническая новизна полученных в диссертации конструктивных решений подтверждена Патентом на изобретение.
Практическую значимость работы составляют:
- усовершенствованный метод фильтрационного расчета земляных плотин
с ядрами различного профиля и разных типов дренажа, учитывающий влияние
на осреднение толщины ядра подпора воды с низовой грани ядра;
- комбинированный метод фильтрационного расчета земляных плотин с
грунтовыми противофильтрационными призмами (верховой, центральной, низовой);
- новый метод фильтрационного расчета земляных плотин с
противофильтрационной диафрагмой позволяющий определять необходимые
параметры фильтрации (фильтрационный расход, высоту высачивания и
положение кривой депрессии);
- рекомендации по расчетному обоснованию и проектированию земляных
плотин с противофильтрационными устройствами (ядрами, грунтовыми
призмами и диафрагмами), в том числе новой конструкции
противофильтрационного устройства земляной плотины на проницаемом
основании в виде зуба с криволинейной (круговой) низовой гранью, а также
рекомендации по противофильтрационной защите водопропускного
сооружения в составе противоселевого гидроузла.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение II- й Всероссийской конференции «Вопросы повышения эффективности строительства» (Нальчик, 2004 г.), III- й Всероссийской конференции «Вопросы повышения эффективности строительства» (Нальчик, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Паводковые потоки и водные бассейны: проблемы регулирования водотоков, безопасность и надежность ГТС, мониторинг водных объектов и защита водоохранных зон» (Нальчик, 2007г.), ежегодных семинарах- совещаниях кафедры «Природообустройство» ФГОУ ВПО КБГСХА (Нальчик, 2000-2007г.), на совместном заседаний кафедр «Гидротехнические сооружения, мелиорации и водоснабжения» и «Строительных конструкции и сооружений» КБГСХА и Отдела
13 экологических исследовании ВГИ (2008г.), а также на семинаре в Лаборатории
фильтрационных исследовании кафедры «Гидравлика и инженерная
гидрология» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, март 2004г.). Кроме этого,
результаты диссертационной работы были представлены для участия на
конкурсе Национальной Экологической Премии «Эко-Мир-2006», где в
номинации «Сохранение биоразнообразия и оздоровление ландшафтов»
удостоена «Диплома I степени» (вручена в Государственной Думе РФ
23.05.06г.).
Личный вклад автора заключается в постановке и формировании задач исследования, совершенствовании методов их теоретического и экспериментального решений, анализе и выводах полученных автором результатов при консультациях научного руководителя. В проведении отдельных экспериментов по исследованию земляных плотин с противофильтрационными диафрагмами и теоретических исследований по усовершенствованию метода фильтрационного расчета земляных плотин с ядрами и конструкции противофильтрационного зуба принимали' участие, соответственно Гегиев К.А. и Ищенко А.В..
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из которых 4 в центральной печати в том числе в журналах «Гидротехническое строительство» (2004,2006), «Мелиорация и водное хозяйство» (2007), а также Патент на изобретение (2006).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, приложений. Основное содержание диссертации изложено на 197 страницах печатного текста, включая 51 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 142 наименований, в том числе 22 зарубежных, и 7 приложений.
