Содержание к диссертации
Введение
1. Критический анализ состояния обвалования рек Кубань и протока в Краснодарском крае 12
1.1. Краткий исторический обзор развития системы защиты от наводнений на Нижней Кубани 1.2. Анализ наводнений в Низовье Кубани 18
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадок дамб обвалования 21
1.4. Инженерные способы ликвидации прорывов дамб на реках Кубань и Протока 25
1.5. Анализ зарубежного опыта по ликвидации последствий прорывов дамб 38
1.6. Цель работы и задачи исследований 42
2. Экспериментальное обоснование параметров гибких дамб и технологии их изготовления 44
2.1. Место проведения, условия и методика исследований 44
2.2. Экспериментальные исследования грунтов дамб обвалования 46
2.3. Экспериментальные исследования скоростей и расходов в проранах 62
2.4. Экспериментальные исследования тканевых материалов на капроновой основе 64
2.5. Обоснование параметров гибких дамб с учетом существующей технологии их заводского изготовления 67
2.6. Экспериментально-теоретическая методика расчета параметров гибких дамб для расчетного случая 72
2.7. Выводы по главе 87
3. Экспериментальные исследования гибких дамб для монтажного случая
3.1. Методика экспериментальных исследований 89
3.2. Результаты экспериментальных исследований 90
3.3. К вопросу об устойчивости гибкой дамбы на сдвиг и опрокидывание 99
3.4. Технологическая схема последовательности производства работ по ликвидации последствий прорыва дамб 102
3.5. Выводы по главе 102
4. Теоретическое обоснование параметров гибких дамб для различных эксплуатационных случаев 108
4.1. Методика имитационного моделирования 109
4.2. Результаты имитационного моделирования 109
4.3. Верификация имитационного математического моделирования гибких дамб с данными натурного эксперимента 115
4.4. Обоснование номенклатуры гибких дамб для службы эксплуатации 118
4.5. Выводы по главе 120
5. Экономическая эффективность использования гибких дамб и перспективы их применения 121
5.1. Экономическая эффективность применения гибких дамб для системы обвалования рек Кубани и Протока 121
5.2. Перспективы повышения надежности протипаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока 129
Основные выводы 148
Предложения производству
- Анализ зарубежного опыта по ликвидации последствий прорывов дамб
- Место проведения, условия и методика исследований
- К вопросу об устойчивости гибкой дамбы на сдвиг и опрокидывание
- Верификация имитационного математического моделирования гибких дамб с данными натурного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. По данным ООН за последние 10 лет средне ежегодное количество пострадавших от наводнений на планете составляет 94 млн. 950 тыс. человек (1,6 % населения Земли). Число погибших от наводнений за последние 10 лет XX века (1990-1999) составило около 100 тыс. человек (99 тысяч 748 человек). В прошедшем XX веке от наводнений на планете погибло более 1 млн. человек. Ежегодные (средне годовые) убытки от наводнений составляют 70 млрд. долларов США.
Наиболее длинной рекой Северного Кавказа, имеющей наибольшую площадь бассейна является река Кубань (длина реки 970 км, площадь бассейна 57,9 тыс. км2, среднемноголетний сток 13,5 км'/год). Площадь бассейна р. Кубань, приходящаяся на Краснодарский края и Республику Адыгею составляет 43,67 тыс. км2 или более 75 % от бассейна реки в целом. Здесь проживает более 3,0 млн. человек. Интенсивное освоение бассейна реки Кубани начато со второй половины XIX века. В настоящее время здесь отмечается наиболее высокая плотность населения (70 чел./км2).
Система обвалования Нижней Кубани является важнейшим элементом защиты от наводнений до 600 тыс. га, в том числе 400 тыс. га сельхозугодий, 87 населенных пунктов. В зоне риска наводнения проживает более 300 тыс. человек, а также предприятия нефтеперерабатывающей и химической промышленности, нефте и газопромыслы (более 450 скважин), машиностроительные предприятия, более 450 сельскохозяйственных производственных объектов, около 100 животноводческих объектов, склады ядохимикатов и минеральных удобрений. Необходимость обвалования выявилась в процессе хозяйственного освоения земель Нижней Кубани и связана с ограниченной пропускной способностью коренного русла (до 900...1000 м'/с), в результате чего затопление отдельных участков поймы наблюдаются щгактичеиги, еже-— годно, а реже чем 1 раз в 10 лет наблюдаются большие наводкн^и0 т Ецд !
| С.Петербург Гйа \
\ 09 Щ^ша/^J \
Борьба с наводнениями на Нижней Кубани путем обвалования локальных участков (от 10 до 40 верст) началась населением с 80-х годов XIX века.
До ввода в эксплуатацию Краснодарского водохранилища (1973 г., противопаводковая призма 0,65 км5) большой ущерб народному хозяйству принесли паводки на реке Кубань в 1931,1932,1954,1963 и 1966 годах.
В построенной противопаводковой системе защиты пойменных и дельтовых земель во второй половине XX века входят Краснодарское, Шансут-ское, Крюковское, Варнавинское водохранилища с общей противопаводковой емкостью 1,18 км3 и системой обвалования рек Кубань и Протока общей протяженностью 948 км. Система обвалования рек Кубани и Протока позволяет пропускать паводковые расходы до 1200 м3/с и эксплуатируется более 50 лет.
После ввода в эксплуатацию Краснодарского водохранилища высокие паводки наблюдались в 1980, 1987, 1997 гг. Наводнения были в феврале 1993, январе 2002 г., июне 2002 г.
Противопаводковая система Низовья Кубани находится в настоящее время в неудовлетворительном состоянии, даже для паводков 10 % обеспеченности. В системе обвалования Нижней Кубани 144,6 км находятся в критическом состоянии. Эксплуатационные организации не имеют технических средств быстро ликвидировать прорывы в системе дамб обвалования, а их только в январском паводке 2002 г. было 14, а после летнего (июньского, 2002 г.) - 29 в десяти районах Краснодарского края (Крымском, Славянском, Темрюкском, Калининском, Анапском, Северском, Абинском, Усть Лабин-ском, Новокубанском и Кавказском).
Среднемноголетний годовой ущерб от наводнений в России оценивается в 41,6 млрд. рублей (в ценах 2001 г.), в том числе в бассейне реки Кубань -2,1 млрд. рублей.
Работа автора выполнена в соответствии с федеральными целевыми программами «Юг России», «Экология и природные ресурсы России», «Повышение плодородия почв России», плана НИР Россельхозакадемии 2001-
5 2005 гг. и комплексного плана мероприятий Минприроды России по повышению безопасности гидротехнических сооружений.
Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является совершенствование инженерной защиты территорий от наводнений.
Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:
оценки состояния противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае;
исследование новых типов композитных материалов, которые могут
быть использованы в различных конструкциях инженерной защиты территории от наводнений;
исследование влияния негативных факторов на устойчивость, прочность и несущую способность дамб обвалования;
разработка методик научного обоснования параметров гибких мно-гооборачиваемых быстровозводимых дамб из высокопрочных композитных материалов для расчетного, строительного и эксплуатационного случаев;
обоснование регрессионных зависимостей для назначения базовых параметров гибких многооборачиваемых дамб;
разработка мероприятий, направленных на повышение надежности противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока.
Методика и объект исследований. Методологической основой работы является системный подход к оценке противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае. Методы исследований включали изучение, обобщение и анализ работ других авторов, проведение лабораторных и натурных экспериментов с помощью метрологически аттестованного оборудования и апробированных методик, статистическую обработку результатов эксперимента и проверку гипотез методами дисперсионного, регрессионного и корреляционного анализов, сопоставление результатов эксперимента с расчетными и натурными данными, а также результатами, полученными другими авторами.
Научную новизну работы составляют:
результаты систематизации данных состояния противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском крае;
исследования по оценке влияния негативных факторов на устойчивость, прочность и несущую способность дамб обвалования;
методики обоснования параметров гибких многооборачиваемых дамб из высокопрочных композитных материалов для расчетного, строительного и эксплуатационного случаев;
экспериментальные зависимости для назначения базовых параметров гибких дамб;
мероприятия по повышению надежности противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока.
Практическое значение работы заключается в:
- обобщении экспериментальных и натурных данных по состоянию
системы обвалованию Нижней Кубани;
развитии методов расчета конструкций водного хозяйства из высокопрочных композитных материалов;
разработке мероприятий по реконструкции системы обвалования на Нижней Кубани, направленных на повышение надежности и улучшению условий эксплуатации с минимальным влиянием на сложившиеся природные и хозяйственные условия этой территории;
разработке методики расчета быстровозводимых гибких дамб, руководства по расчету, проектированию, монтажу и эксплуатации ограждающих дамб из композитных материалов, инструкции по усилению насыпей и дамб системы обвалования Нижней Кубани.
Личный вклад автора в решении проблемы заключается в анализе технического уровня противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока в Краснодарском края, в проведении экспериментальных и теоретических исследований гибких дамб, в анализе полученных результатов, в
7 формировании выводов и рекомендаций, в обосновании инвестиций в реконструкцию противопаводковой системы Краснодарского края.
Достоверность результатов работы обоснована использованием общепринятых гипотез и допущений, вероятностно-статистическими методами полученных данных, сравнением полученных результатов эксперимента с натурными данными и результатами других авторов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на факультете водного хозяйства и мелиорации Кубанского ГАУ (1999-2003), инженерно-мелиоративного факультета НГМА (1999-2003), на региональных конференциях Южного Федерального округа, проводимых в Новочеркасске («Гидротехника. Гидравлика. Геоэкология»), Краснодаре, Ростове, Ставрополе (2000-2003).
Нормативно-методические разработки автора были рассмотрены и одобрены НТС Минсельхоза России, отделением мелиорации, водного и лесного хозяйства Россельхозакадемии, Кубанском бассейновом водном управлении, Комитете по земельным ресурсам и землеустройству по Краснодарскому краю, Главном управлении по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям Краснодарского края, НТС департамента сельского хозяйства Администрации Краснодарского края.
Практическая реализация работы. По результатам работы были разработаны заводские чертежи для изготовления гибких многооборачиваемых дамб из композитных материалов, изготовлен экспериментальный образец, разработаны и утверждены нормативно-методические документы для НТС Министерств различного уровня.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы из 158 наименований, в том числе 23 наименований зарубежных авторов. Работа изложена на 171 странице машинописного текста.
Анализ зарубежного опыта по ликвидации последствий прорывов дамб
Интенсивное освоение земель Низовья Кубани началось в начале XIX века и к этому же периоду относится упоминание о наблюдавшихся высоких уровнях воды р. Кубань в 1807 г. и 1838 г.
В отчете от 17.XI. 1879 г. великий русский гидротехник Иосиф Ипполитович Жилинский (1834-1916) приводит описание выдающего февральского наводнения 1877 года, когда была затоплена площадь 660 тыс. га Низовий Кубани.
Академик ВАСХНИЛ Борис Аполлонович Шумаков в работе 1925 г. описывает результаты почти столетней борьбы населения Нижней Кубани с паводками. Он отмечает «... дамбы тянутся по обоим берегам р. Кубань от Краснодара почти непрерывно до моря». «Высота дамб колеблется в зависимости от рельефа места от 1,5 до 3 арш (от 1,07 м до 2,13 м), ширина поверху от 0,5 до 1 саж. (от 1,07 м до 2,13 м) при полуторных и одинарных откосах».
Работы по ограждению земель от паводков проводились по инициативе отдельных станиц, хуторов, обществ, как правило, без достаточного технического руководства и контроля. Несмотря на их масштаб к началу XX века, затраты и чуть ли не вековую борьбу населения с затоплением, в конечном итоге не достигли не только ограждения от затопления всей площади Заку 15 банских плавень, но даже и те площади, которые были ограждены от затопления, находятся под угрозой быть затопленными во время высоких паводков р. Кубань или ледниковых заторов на ней, во время дружного таяния снега и ливней в горах, водами горных рек.
За более чем столетний период существования система обвалования Нижней Кубани достигла значительного развития. Начало массового строительства обвалования относится к 1881 г. Строительство дамб обвалования велось тогда исключительно вручную, дамбы отсыпались в наиболее пониженных местах прируслового вала и высота их, как правило, не превышала 1,0 м.
К началу XX века примитивное обвалование было построено на большей части р. Кубани от ст. Усть-Лабинской до устья и на р. Притоке от Раз-дер до ст. Славянской.
В последующий период непрерывно велись работы по усилению и развитию системы обвалования, особенно интенсивно после очередных наводнений. К началу 30-х годов была капитально отремонтирована и усилена правобережная дамба р. Кубани и р. Протоки от ст. Марьянской до ст. Гри-венской, и в последующие затем друг за другом паводки 1931, 1932 и 1933 гг. эта дамба не была прорвана. Последствия этих наводнений послужили толчком развития системы обвалования Нижней Кубани с включением элементов зарегулирования паводкового стока р. Кубани.
Созданное в 1932 г. «Бюро изысканий и проектирования по регулированию р. Кубани» приступило к разработке проекта регулирования паводков р. Кубани в целях защиты Нижней Кубани от наводнений, причем одновременно с регулированием паводков предусматривалось частичное регулирование и меженного стока реки.
Принятый вариант регулирования паводков предусматривал строительство плавневого (Тщикского) водохранилища между притоками р. Кубани - Лаба и Белая; снижение паводковых горизонтов в низовьях р. Кубани достигалось за счет сброса в водохранилище части паводковых расходов рек Кубани и Белая, при этом наблюдавшиеся тогда максимальные паводковые расходы 2000...2100 м3/с снижались до 1500 м3/с, считавшегося безопасным для существующей системы обвалования.
В межень, за счет регулирования стока расходы намечалось увеличить 35...75м3/сдо185м3/с.
Кроме того, предусматривалось реконструировать обвалование р. Кубани от устья р. Лабы до г. Темрюк на длине 290 км, р. Протоки от Раздер до ст. Гривенской на длине 81 км и устьевых участков притоков Кубани: Лаба, Белая, Пшиш, Псекупс и Афипс на суммарной длине 116 км.
В последующем первоначальный проект 1933 года претерпел значительные изменения, направленные главным образом на уменьшение объемов строительных работ, что в свою очередь привело к снижению надежности системы противопаводковой защиты.
Реконструкция системы обвалования и строительство Тщикского водохранилища в 1941 году и, кроме того, в 30-х годах была создана централизованная служба эксплуатации системы обвалования.
В годы Великой Отечественной войны система обвалования р. Кубани в значительной степени была разрушена, и ее восстановление было осуществлено в 1943-47 гг.
В последующие годы было введено в эксплуатацию (1952 г.) Шансуг-ское водохранилище емкостью 160 млн. м3, зарегулировавшее сток р. Афипс и система обвалования рек Кубани и Протоки поддерживалась в работоспособном состоянии, однако после каждого достаточно крупного наводнения (1954 г., 1963 г. и 1966 г.) за счет бюджетных средств выполнялась локальная реконструкция обвалования, причем объемы работ были значительными. Так, после июльского наводнения 1966 года в 1966-76 гг. были построены обходные дамбы на 15 участках общей длиной более 35 км.
В 1964-67 гг. были введены в эксплуатацию Октябрьское и Шенджий-ское водохранилища, обеспечивающие защиту от наводнения Чибийской низменности. После 1970 г. поддержание и усиление системы обвалования выполняется только за счет средств службы эксплуатации и основной объем работ по усилению обвалования выполнялся с целью защиты дамб от подмыва рекой -путем строительства обходных дамб и берегоукреплений. Только за 10 лет (1970-79 гг.) было построено около 30 км обходных дамб.
В последующее десятилетие строительство дамб продолжалось, но в сокращенном объеме.
В 1971-72 гг. были ведены в эксплуатацию ирригационно-противопаводковые водохранилища - Крюковское и Варнавинское — на левобережных притоках Кубани.
Берегоукрепления, основным типом которых до 1978 года было устройство каменно-хворостяных тюфяков в подводной части и хворостяных выстилок — в надводной, оказались малоэффективными. В последние годы ремонт ранее выполненных берегоукреплений и устройство новых осуществляется службой эксплуатации путем устройства каменной наброски или шпор.
С начала 90-х годов темпы строительства новых обходных валов системы обвалования и устройство берегоукреплений значительно снизились. В связи с этим постоянно увеличивается количество участков с критически малой или равной нулю шириной предвалья.
До настоящего времени не завершено строительство Тиховского гидроузла в Раздерском узле р. Кубани - основной целью которого является — осуществлять распределение стока Кубани между его рукавами — собственно Кубанью и Протокой, в том числе и паводкового.
В последние 10... 15 лет внедряется метод активного регулирования руслового процесса путем устройства прорезей в руслах рек. При этом, как правило, песчаный грунт изымается из русла и используется на строительные цели. Во многих случаях этот метод не приводит к заметному эффекту снижения скорости размыва предвалий, однако часто связан с нанесением ущерба окружающей среде.
Большое влияние на надежность работы системы обвалования оказывают водохранилища, как на самой Кубани, так и на реках Закубанского массива и крупные водозаборные системы мелиоративного, промышленного и рыбохозяйственного назначения построенные за последние 50 лет.
Значительный физический износ водозаборный сооружений и сооружений водохранилищ, размещенных на всей длине рек Кубани и Протоки снижает общую надежность системы обвалования рек Кубани и Протоки ниже Краснодарского водохранилища. К тому же, в последние десятилетия возросли нормативные требования к надежности защиты земель и хозяйственных объектов от наводнений, это обуславливает необходимость проведения масштабных восстановительных работ на системе противопаводковой защиты Нижней Кубани.
Место проведения, условия и методика исследований
Эксплуатация и ремонт противопаводковой системы обвалования рек Кубань и Протока осуществляется Федеральным государственным учреждением (ФГУ) по эксплуатации гидротехнических сооружений рек Кубань и Протока (ЭГТС КП).
Суммарная протяженность дамб обвалования составляет 950 км. Фактическая ширина дамб находится в интервале от 4 до 6 м. Заложение мокрого откоса находится в интервале тмокр = 2,0...2,5, сухого откоса тсх =1,25...2,00. Средняя высота дамб обвалования составляет 2,25 м. Наибольшая высота -4,80 м.
Исследования прочности и устойчивости дамб обвалования представляют важную народно-хозяйственную проблему. Это связано с тем, что дамбы обвалования отсыпали в течение многих десятилетий. Как правило, дамбы состоят из неоднородного материала. Грунт, как правило, применялся взятый непосредственно на месте. Очень длительное время физико-механические свойства грунтов дамб обвалования не исследовались. Отсыпка дамб зачастую проведена неравномерно, без должного уплотнения.
В связи с отмеченными факторами натурные и лабораторные исследования грунтов дамб обвалования рек Кубань и Протока весьма актуальны.
Физические, деформационные и прочностные характеристики грунтов дамб обвалования проводились с использованием действующих ГОСТов (ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформативности», ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик», ГОСТ 22733-77 «Грунты Метод лабораторного определения максимальной прочности» и др.) в метро 45 логически аттестованных подразделениях в лабораториях института «Ку-баньгипроводхоз» и лаборатории механики грунтов ЮРГТУ (НПИ).
Измерение скоростей потока в проранах дамб обвалования осуществлялось с помощью гидрометрической вертушки ГР-21М, поверенной в соответствии с руководящим документом Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды РД 52.08.606-99 и РД 52.08.15-97. Уровень воды в проране измерялся с помощью рейки водомерной переносной ГР-104. Средняя скорость определялась с помощью пятиточечного способа: + 3V0 2h + 3V0)6h + 2V058h + Удно) cp 10 и трехточечного способа: v _ V(),2h + 2Vp,6h + Vp,8h CP 4 Расход воды в проране определялся как сумма частных расходов протекающих между скоростными вертикалями поперечного сечения потока.
Экспериментальные исследования прорезиненных тканей на основе капроновых текстилей осуществлялась в лабораториях механики материалов Курского завода РТИ и лаборатории испытания материалов кафедры «Строительной механики» НГМА. Испытываемые образцы на прочность имели ширину 50±1 мм и рабочую длину 200±1 мм. Для испытания использовались разрывные машины Р-0,05 и Р-0,5.
Повторность опыта была принята 10-кратной. Ошибка опыта по результатам экспериментальных исследований находилась в интервале 0,76 % до 8,05 %, коэффициент вариации от 1,92 до 4,54 %.
Статистическая обработка экспериментальных исследований осуществлялась с помощью традиционных методов. 2.2. Экспериментальные исследования грунтов дамб обвалования В соответствии с ГОСТ 25100-82 «Грунты. Классификация» под грунтом следует понимать - любую горную породу или почву (а также твердые отходы производственной или хозяйственной деятельности человека) представляющую собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени и используемую как основание, среду или материал для возведения зданий и инженерных сооружений. Следует отметить, что под почвой понимают природное образование, слагающее поверхностный слой земной коры и обладающий плодородием. Почвы состоят из нескольких горизонтов, возникших в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, рельефа местности, растительности, живых организмов. Грунты подразделяются на два класса: скальные (грунты с жесткими структурными связями) и нескальные (грунты без жестких структурных связей). Скальные грунты делятся на четыре группы по генетическому признаку: магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и искусственные. Нескальные грунты разделяют на две группы: осадочно несцементированные и искусственные (намывные, насыпные, уплотненные в природном заложении) грунты. Подробная классификация грунтов включая группы, подгруппы, типы, виды и разновидности приведена в ГОСТ 25100-82.
При проведении инженерно-геологических изысканий руководствуются СНиП 1.02.07-87, СНиП 2.02.01-83 и СНиП 2.02.02-85, а также 32 ГОСТами, регламентирующими методы полевых и лабораторных исследований грунтов. В задачи полевых и лабораторных исследований грунтов обычно включают следующие вопросы: - расчленение геологического разреза и выделение инженерно - геологических элементов; - определение состава, состояния, физических и механических грунтов; - оценка пространственной изменчивости свойств грунтов;
К вопросу об устойчивости гибкой дамбы на сдвиг и опрокидывание
Инженерная защита территорий от затопления должна обеспечивать: - надежность защитных сооружений, бесперебойность их эксплуатации при наименьших затратах; - возможность проведения систематических наблюдений за работой и состоянием сооружений и оборудования; - оптимальные режимы эксплуатации сооружений. Возможны различные оптимизационные задачи исследования гибких дамб в инженерной защите территории от затопления. На стадии проектирования это возможны задачи: - оптимизации компоновочно конструктивного решения; - оптимизации стыковых типов секций гибких дамб и их количества; - оптимизации подаваемого расхода на кратковременно затопленную территорию с целью разгрузки русла реки и др. На стадии эксплуатации гибких дамб: - оптимизация режима работы гибкой дамбы при прохождении паводкового расхода в беЗ переливном варианте; - оптимизация режима работы гибкой дамбы со сбросом части расхода на обвалованную территорию. Служба эксплуатации гидротехнических сооружений рек Кубань и Протока имеет всего 27 водителей, которые обслуживают 3 автокрана, 34 грузовых машины, 2 бензовоза.
Учитывая, что система обвалования рек Кубань и Протока имеет общую протяженность 948 км, то таким количеством техники, эксплуатирующейся более 20 лет, достаточно проблематично обеспечить высокую степень безопасности дамб обвалования.
Количество инженерно-технических работников ФГУ эксплуатации ГТС рек Кубань и Протока - 27. Следует отметить, что они обслуживают та 109 кие ответственные сооружения, как Федоровский гидроузел на р. Кубань, ГТС Федоровской рисовой оросительной системы, головное сооружений канала Красноармейской оросительной системы и др. Следовательно, реально на одного инженерно-технического работника, способного принять квалифицированное решение, приходится более 100 км системы обвалования рек Кубань и Протока. В таких условиях эксплуатации ГТС наиболее перспективны быстровозводимые, временные гибкие дамбы на период прохождения паводковых расходов.
Рассматривается следующая эксплуатационная задача. На объект поставлена гибкая дамба, изготовленная в заводских условиях с заданным раскройным периметром (L) и длиной секции. Учитывая, что при прохождении паводка изменяется расчетный уровень воды (Hi) необходимо обеспечить превышение (Аа) гребня дамбы над расчетным уровнем в соответствии с классом сооружения. Исходными данными могут быть L, Нь изменяется объем воды в дамбе W є [Wi, Wmax], как при этом изменяются параметры гибкой дамбы и ее напряженно-деформированное состояние, в том числе условия на сдвиг и опрокидывание.
Возможен третий тип имитационных задач, изменяется Ні є [Нц, Нішах], постоянным остаются L и W. Цель задачи оценить изменение профи-леформирующих параметров дамбы и ее напряженно деформированное состояние.
Покажем результаты моделирования на конкретном расчетном случае. Имеем раскройный периметр модуля гибкой дамбы L, известен объем воды в по гибкой дамбе W, изменяется высота воды перед дамбой в интервале Ні є [О, Н], где Н - максимальная высота гибкой дамбы для данного модуля. Необходимо определить профилеформирующие параметры гибкой дамбы и ее напряженно-деформативное состояние для какой-то конкретной высоты воды перед сооружением. Последовательность определения параметров следующая: 1. Решаем расчетную систему уравнений методом Ньютона - Конто ровича. Находим Но, модулярный угол 0 и параметр \\f\: W = H0-l-f8(e,4/1 , (4.,) [H1=H0[l-A(e,Vl)l где Ф,Ъ) = (l-O,5sin20 Ffe,l-F(0,iJ/1) - ЕГЄ,1-Е(Є,\Л) + (З-coseYl-cose)/ ч] + 4A(9,l) ;(cos -cosVl)j f2(9,V2)=Ho(3-;oseXi-cose)(yi_2); 4Д(9,ч/,) Ffe,-F(e,Vl) f3(e,V3) = f1(9,v1)+f2(e,V2)+0,5sin Fe f-Ee 2 Л (l-0,5sin2e)F[e, ) f4(e,V4) = f5(e,i/1)=f4(e)+f3(e,i/1); f6(e)= -E e,f Ill f n\ f7(e,v/1) = (l-0,5sin2G] if 9, -F(0,i1/1) - E 0, -E ) L \ 2/ J L v 2/ - 0,25sin2 0 ъ\ъ2щ + 0,5(3 - cos0Yl - cosG) — ЙЦш (cosi/2 - cosi , Щщ) ґ sm\\fl vj/2 = arccos A(0,v}/1)[l-A(0,M/1)] v 4(3-cos0Xl-cosG)/ 2. Находим избыточное давление в гибкой дамбе Р0 =у-Н0 -COS0. (4.2) 3. Вычисляем параметры для верхового участка гибкой дамбы а= Но[А(0, \/i) - cos 0]; (4.3) X Hojfl-O.Ssin Ff0,-l-F(0,v1/1) - ЕГЄ,1-Е(9,М/1) (4.4) XA=H0 f Г И (l-O,5sin20 F 0,--F(0,\j/1) (3-COS0Y1-COS0)/ ч 4A(0,v1/1) J / e,J-E(efVl) + (4.5) У _H0(3-cos9Xl-cos8) 1 4A(9,\/1) ; _H0(3-cose)(l-cose)r v LAMI " 4A(0 ) Wi- J. LBMlAN=Ho-0,5sin2el(e,5VF(e,Vl) v v У + H0f1(e,x/1)+H0f2(e,Vl + (4.6) (4.7) (4.8) 4. Определяем параметры для низового участка гибкой дамбы: LNDCB -НО V 2у - (4.9) A,=H (l-0,5sin2e)F(e, J -E П ( тЛ 2J 112 (4.10) 5. Вычисляем расчетное усилие в гибкой дамбе: Tp=0,25yH2sin2e. (4.11) Сущность данной методики проиллюстрируем для конкретных числовых значений модуля гибкой дамбы. Пример расчета. Исходные данные Lo6 = 15,0 м; W = 494,2 м3 (W0 = 14,12 на 1 погонный метр); Hi = 2,70 м (Ні є[0; 3,00]. Решив систему уравнений (60) методом Ньютона-Канторовича с точностью до 2 % получаем: Но = 3,68 м; 0 = 77,76; у і = 80,51.
Верификация имитационного математического моделирования гибких дамб с данными натурного эксперимента
Проведенный анализ существующих методов расчета армированных откосов, а также результатов экспериментальных исследований, выполненных в последние годы, позволил разработать новый, более совершенный и гибкий, по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами, метод расчета армированных откосов земляного полотна, ориентированный не только на усовершенствование известных разработок, но и позволяющий решить задачу определения оптимального количества армирующих прослоек и их наиболее рационального размещения в теле земляного сооружения. При этом в качестве армирующего элемента может быть рассмотрен любой конкретный материал любого типа (геотекстиль, геосетки, георешетки и т.п.).
Разработанная методика оптимизационного расчета армированных откосов земляного полотна не ориентирована на решение задач оценки и обеспечения требуемой устойчивости основания. При неустойчивом основании задача назначения конструкции откосов земляного полотна, в том числе и армированных, становится методически необоснованна — деформации основания могут явиться причиной выхода из строя конструкции в целом даже при однозначно устойчивых откосах насыпи.
В предложенной методике не рассматривается также задача выбора средств и мероприятий по укреплению поверхности откоса, что в общем случае является обязательным как с точки зрения устранения возможности негативных проявлений процессов выветривания, обсыпания, сползания поверхностных слоев грунта откоса, так как его размывание талыми и дождевыми потоками. Особенно актуальной такая задача является в случае сооружения откосов повышенной крутизны, в том числе и армированных.
При разработке методического обеспечения решения задачи оптимизационного расчета армированных откосов в основу была положена рабочая гипотеза известного метода перемещений, в соответствии с которой арми 135 рующая прослойка включается в работу лишь после того, как произошли деформации исходного контура сооружения в допустимой степени. На практике такой уровень деформирования контура сооружения достигается непосредственно в процессе его строительства - при послойном уплотнении грунта.
Методика решения задачи оптимизационного расчета армированного откоса построена на предположении существования ожидаемой поверхности смещенного ограниченного сектора откосной части конструкции без учета эффекта ее армирования. Без нарушения общности в качестве такой поверхности может быть рассмотрена круглоцилиндрическая поверхность.
В соответствии с разработанной методологией предполагается поэтапное решение задачи расчета армированных откосов.
На первом этапе по специально разработанной программе для ПЭВМ, реализующей интегральную модификацию известного метода круглоцилин-трических поверхностей скольжений (КЦПС), оценивается степень устойчивости неармированного откоса. Если при этом расчетное значение коэффициента устойчивости Куст откоса оказывается больше требуемого Ктр, нет необходимости в повышении степени устойчивости откоса с использование любых мероприятий, в том числе и метода армирования.
Если же в результате проведения расчетов оказывается, что Куст меньше Ктр, целесообразно провести анализ места расположения критической поверхности смещения. В частности, если она заходит в основание конструкции, необходимо осуществление мероприятий по устранению такого эффекта с использованием различных средств и приемов, в том числе и обоснованной укладки непосредственно в основание насыпи армирующих прослоек.
С целью наиболее полного приближения расчетного аппарата к реальным условиям предусмотрена возможность учета при решении задачи расчета армированных откосов влияния равномерно распределенной на фиксированном отрезке поверхности насыпи нагрузки.
Таким образом, если в результате проведенных предварительных расчетов оказывается, что Куст меньше Ктр и дуга не захватывает слои основания, с целью повышения степени устойчивости откоса до требуемого уровня (Куст больше или равно Ктр) может оказаться целесообразным использование метода армирования. При этом в качестве армирующего элемента могут быть использованы различные конкретные материалы (геотекстиль, геосетки, георешетки и др.), обладающие определенными свойствами и характеристиками.
Собственно расчет армированных откосов осуществляется с использо ванием специально разработанной программы для ПЭВМ. В основу расчет ной схемы положено представление о том, что в этом случае критическая дуга должна проходить через подошву откоса, т.е. захватывать весь откос по его высоте, а не только отдельную его часть. Результаты многочисленных расчетов свидетельствуют, что в абсолютном большинстве случаев ситуация і складывается именно таким образом.
Расчет конструкций осуществляется сверху вниз. При этом место расположения первой (верхней) армирующей прослойки выбирается исходя из условия минимально допустимого по технологическим или некоторым другим соображениям в качестве естественного ограничения фигурирует величина минимально допустимого расстояния по вертикали между соседними горизонтами армирования. В первом приближении обе ограничительные величины могут составить 1м.
