Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в России с учетом
экономической нестабильности, роста цен на энергоресурсы и падения
добычи всех видов органического топлива, значительного износа
оборудования ТЭЦ и фактического моратория на строительство новых
АЭС выдвинута концепция интенсивного освоения возобновляемых
гидроэнергетических ресурсов. Осуществление этой концепции потребует
создание гидроузлов с водоподпорными грунтовыми плотинами. Начиная
с 50—х годов особенностью отечественного и мирового плотиностроения
является резкое увеличение числа проектируемых и построенных плотин.
Так, по данным СИГБ, более 99% из всех построенных плотин высотой
более 15 м были сооружены за последние 35—40 лет. При этом около 30%
из них имеют высоту до 30 м, 95%—до 60 м, и только 1,2% имеют высоту
свыше 100 м. =
Более 90% всех проектируемых и построенных за последнее время в мире плотин составляют грунтовые плотины—от низконапорных плотин и дамб, хвосто— и шламохранилищ до плотин — гигантов высотой более 200 м, таких как Рогунская (строящаяся) — 330 м; Нурекская — 300 м; Чикаосен (Канада)—245 м; Майка (Канада)—240 м; Оровилл (Канада) —220 м; Кебан (Турция)—208 м и др. По объемам грунта такие плотины достигают 130 млн.м3.
Такой прогресс грунтовых плотин обусловлен:
их высокой экономичностью, объясняемой сокращением использования привозных материалов и широким применением для возведения тела последних местных грунтов, в том числе и из полезных выемок, что особенно важно для отдаленных и труднодоступных районов;
высокой технологичностью и механизацией земляных работ, связанных с появлением мощных машин и механизмов, с применением новых технологических схем разработки и транспортировки грунта;
возможностью строительства в районах с тяжелейшими инженерно —геологическими, климатическими и сейсмическими (до 8—9 баллов) условиями;
большими научными достижениями в развитии механики грунтов, в создании новых видов расчетов напряженно—деформированного состояния плотин и устойчивости откосов, в прогнозах фильтрационной прочности грунтов тела и основания рассматриваемых сооружений;
—широким разнообразием имеющихся конструкций грунтовых плотин, позволяющим сегодня использовать для тела плотины практически любые грунты, находящиеся вблизи ее створа.
Многие из построенных грунтовых плотин были предназначены для создания водохранилищ с огромными объемами аккумулируемой воды, в связи с чем возникновение повреждения или разрушения последних приводили к катастрофическим последствиям с большим количеством человеческих жертв и огромным материальным ущербом.
Около 60—70% всех зарегистрированных аварий приходится на долго грунтовых плотин, а среди них более 70% аварий на долю плотин высотой до 30 м. Разрушений плотин высотой более 100 м в мире еще не проис —
2 ходило. Последнее в какой—то степени свидетельствует о надежности их конструкции. Для стран бывшего СССР, имевшей к 1990 г. около 600 грунтовых и 70 бетонных плотин высотой более 15 м, обеспечение надежности плотин особо актуально, поскольку еще в недавнем прошлом (1965 г.) наша страна входила в тройку стран наиболее неблагополучных с точки зрения количества зафиксированных повреждений и аварий (7%), после Алжира (28%) и Родезии (39%).
Анализ показал, что основной прямой или косвенной причиной аварий грунтовых плотин (до 70 — 80%) являются фильтрационные деформации их противофильтрационных устройств (ПФУ). В связи с этим актуальнейшее значение приобретают вопросы разработки более совершенных, надежных и рациональных конструкций ПФУ грунтовых плотин, способов их сопряжения с основанием и методов расчетного обоснования. В решении этой проблемы особое место занимают вопросы детального изучения фильтрации в ПФУ с учетом пространственного характера потока в них, различных форм и конструктивных особенностей ПФУ, их сопряжений с береговыми склонами и основаниями, в том числе посредством смотровых галерей и противофильтрационных диафрагм, анизотропной и неоднородной проницаемости их грунтов, обусловленными технологией возведения плотин и их напряженно — деформированным состоянием. При этом важной составной частью этой задачи является совершенствование дифференцированной системы фильтрационного контроля для выявления отдельных зон области фильтрации с наиболее вероятными местами нарушений фильтрационной прочности грунта ПФУ и выполнении там необходимых защитных мероприятий. .
Существующие конструкции ПФУ грунтовых плотин и методы их расчетного обоснования остаются до настоящего времени не вполне совершёнными, в связи с чем, в ряде случаев, принимаются к строительству недостаточно надежные или нерациональные схемы и конструктивные формы ПФУ грунтовых плотин, что ведет к повышению их стоимости, неполному и неэффективному использованию их возможностей, а нередко и к повреждениям и разрушениям, о чем свидетельствует опыт мирового плотиностроения.
В связи с изложенным актуальность совершенствования конструкции ПФУ грунтовых плотин и методов их расчетного обоснования является вполне очевидной и правомерной, что обусловливает необходимость обобщения многочисленных методов расчета и имеющихся конструкций ПФУ грунтовых плотин для разработки теоретических и практических рекомендаций по совершенствованию их конструкции, методов расчета и проектирования.
Разработка на основе теоретических и лабораторных исследований комплекса методов фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин, учитывающих пространственность потока, формы профилей створов и береговых склонов, типы дренажных устройств, методов сопряжений с основаниями, анизотропной и неоднородной проницаемости грунта в зависимости от способа производства работ и напряженно—
з деформированного состояния сооружения, а также новых рациональных конструкций ПФУ и водопропускных сооружений грунтовых плотин является решением важной народнохозяйственной проблемы, новым достижением в области научного обоснования возводимых грунтовых плотин в гидротехническом и мелиоративном строительстве, в ускорении научно—технического прогресса в этой отрасли.
Целью работы является разработка на основе теоретических и экспериментальных исследований методологии фильтрационных расчетов и проектирования противофильтрационных устройств грунтовых плотин, совершенствование и разработка их новых рациональных конструкций.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
На основе изучения и обобщения отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства грунтовых плотин осуществить анализ современного состояния существующих конструкций их ПФУ, методов расчетного обоснования и проектирования, определить основные характерные типы рассматриваемых ссоружений.
-
Разработать на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований методы расчета пространственной и плоской фильтрации в вертикальных ПФУ постоянной толщины с учетом формы профиля створа и береговых склонов, наличия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости (прямолинейной, параболической, скачкообразной) грунта ядра.
-
Создать на основе осуществленных гидравлических решений и данных проведенных экспериментальных исследований новую методику эасчета фильтрации в трапецеидальных ядрах грунтовых плотин с учетом їространственности, формы профиля створа и береговых склонов, на — шчия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или чередующейся по 5Ысоте проницаемости грунта ядра, а также напряженно— реформированного состояния плотины.
-
Предложить на основе гидравлико—гидромеханических исследований и данных лабораторного моделирования новые аналитические методы расчета пространственной и плоской фильтрации в наклонных ідрах и экранах постоянной и переменной толщины с учетом формы ірофиля створа, наличия или отсутствия воды в НБ, анизотропной или гередующейся по высоте проницаемости грунта, а также напряженно— сформированного состояния тела плотины.
-
Разработать на основе гидромеханического решения метод фильтрационного расчета ядер грунтовых плотин, сопряженных с про — [ицаемым (непроницаемым) основанием с помощью непроницаемой [литы, диафрагмы, смотровой галереи с различными поперечными ічертаниями, в том числе при пересечении ядром сильнопроницаемых ллювиальных отложений, сопряжении зуба ядра с противофильтраци — нной диафрагмой (стенкой) основания и т.д.
-
Создать на основе гидравлико—гидромеханических и экспери— [витальных исследований новые методы расчета пространственной и лоской фильтрации в грунтовых плотинах с различными типами дре —
4 пажей (наслонным, пластовым, ленточным, трубчатым, с дренажной призмой) с учетом формы профиля створа и береговых склонов, анизотропной или чередующейся по высоте проницаемости грунта плотины.
7. Составить рекомендации по проектированию и строительству грунтовых плотин, совершенствованию и разработке новых конструкций их ПФУ и водопропускных сооружений, выбору наиболее эффективных и рациональных форм и типов, обеспечивающих надежную работу всего сооружения.
Методы исследований. Работа была выполнена путем проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследований в течение 1984"—96 г.г. Д\я решения перечисленных выше вопросов и задач применялись следующие методы:
анализа и обобщения современных достижений теории и практики в области конструирования, расчетов, проектирования и строительства ПФУ грунтовых плотин;
гидравлические, используемые для расчетов фильтрации, основанные на законе А.Дарси и ламинарном характере режима фильтрации, позволяющие находить необходимые параметры фильтрационного потока с достаточной для инженерных расчетов точностью;
—гидравлико —гидромеханические, применяемые для отыскивания искомых параметров фильтрации путем "сшивания" локальных решений, полученных для отдельных фрагментов области фильтрации;
—гидромеханические, основанные на применении методов теории функции комплексного переменного с использованием метода последовательных конформных отображений;
— моделирования характера движения фильтрационного потока в
ПФУ грунтовых плотин на электропроводной бумаге (по методу ЭГДА) и в
грунтовом лотке;
— оценки точности полученных расчетных зависимостей.
Научная новизна работы заключается в следующих, выносимых на
защиту, положениях:
разработке и совершенствовании методов фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин с учетом пространственности фильтрационного потока, формы профиля створа и береговых склонов, анизотропной и неоднородной проницаемости грунта ПФУ, наличия или отсутствия воды в НБ;
разработке методики расчета пространственной и плоской фильтрации в вертикальных и наклонных ПФУ постоянной и переменной толщины, земляных плотинах с различными типами дренажей с целью определения таких параметров потока как фильтрационный расход, положение поверхности депрессии и высота участка высачивания, значения выходных градиентов напора в створах с различными очертаниями береговых склонов;
определении новых параметров пространственной фильтрации в ПФУ грунтовых плотин — нормальной к плоскости низовой грани ПФУ (Inn) и касательной вдоль по створу (Int) составляющих полного выходного градиента напора (1вьга); *
научном обосновании значительного снижения в условиях пространственной фильтрации значений выходных градиентов напора, в особенности, в области сопряжения с береговым склоном, причем более интенсивное на крутых участках, чем на пологих. При этом в узких створах происходит взаимоналожение депрессионных поверхностей противоположных береговых склонов, что ведет к общему повышению нх уровня, более значительному при выпуклых склонах, чем при прямолинейных и вогнутых;
получении на основе реализованного гидравлического решения с использованием метода суперпозиции универсальной формулы (с среднеарифметическим отклонением +0,7%) для определения фильтрационного расхода в грунтовых плотинах с различными типами дренажей (вертикальным, наслонным, пластовым, ленточным, трубчатым, дренажной призмой и др.) при заложениях верхового откоса в интервале 0 < mi < го и трапецеидальных ядрах, а также расчетных зависимостей для определения высоты высачивания и положения поверхности депрессии, построения гидродинамической сетки в грунтовой плотине и определения необходимого заглубления начала дренажа в тело плотины с учетом глубины промерзания низового откоса;
гидромеханическом решении (с использованием аппарата теории функции комплексного переменного) задачи фильтрации в ядре при наличии смотровой галереи и противофильтрационной диафрагмы с разработкой нового эффективного приема последовательных конформных отображений. Полученное решение совпадает для частных случаев с известными решениями проф. Недриги В.П. и акад. Павловского Н.Н.;
совершенствовании метода фильтрационного расчета ПФУ из грунтов с анизотропной или чередующейся из тонкослоистых пластов с различной проницаемостью;
результатах анализа влияния напряженно—деформированного состояния (НДС) сооружения на характер проницаемости грунтов в различных областях и разработке методики фильтрационного расчета ПФУ грунтовых плотин с учетом НДС, основанной на интегральном определении элементарных расходов, дифференцированных для отдельных зон с различной проницаемостью грунта при наличии "арочного эффекта", двойного "арочного эффекта" и без таковых;
разработке новых усовершенствованных конструкций ПФУ грунтовых плотин и способов сопряжения их с основаниями, обеспечивающих надежную работу сооружения и снижение ее материалоемкости; противоразмывного устройства в пригребневой зоне (для борьбы с трещинообразованием) и местах возникновения "фокусов размыва" (для нейтрализации повышенных значений выходных градиентов напора); "мерзлого" ПФУ плотины; дифференцированного контроля фильтрации в ПФУ и др., а также новых усовершенствованных конструкций водопропускных сооружений при грунтовых плотинах и дамбах.
Техническую новизну конструктивных решений по результатам диссертационной работы подтверждают 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Практическая значимость работы характеризуется тем, что полученные в диссертации результаты позволяют усовершенствовать ПФУ грунтовых плотин, более обоснованно назначать их конструктивные формы с учетом влияния пространственности фильтрационного потока, очертаний профилей створов и береговых склонов, устанавливать тип и местоположение дренажных устройств, смотровых галерей и противофильтрационных диафрагм. Предложенные расчетные зависимости позволяют достаточно быстро и надежно определять все необходимые параметры фильтрационного потока с учетом конструктивных особенностей ПФУ грунтовых плотин, различных форм очертаний береговых склонов, анизотропных и неоднородных свойств грунтов и т.д., что имеет важное значение при массовом проектировании и строительстве плотин и выборе вариантов. Разработанные в работе усовершенствованные рациональные конструкции ПФУ грунтовых плотин и способов их сопряжений с основаниями позволяют повысить надежность работы сооружений, снизить их материалоемкость, повысить уровень дифференцированного контроля фильтрационной целостности ПФУ, повысить надежность работы водопропускных сооружений грунтовых плотин и дамб и т.д.
Внедрение результатов работы осуществлялось при проектировании каменно—земляной плотины Терско—Малкинского гидроузла; при проектировании и строительстве бассейна суточного регулирования объекта "Орошение подземными водами в племсовхозе "Прохладненский" КБР, а также объектов "Защита 7го коллектора в микрорайоне "Александровка" на р. Нальчик"; "Берегоукрепительные работы на р." Нальчик, в районе очистных сооружений производственного объединения "Водоканал", "Защитные мероприятия по стабилизации оползневых процессов на автодороге Гергепеж — Кашхатау" и др. Включены в нормативный справочник "Гидротехнические сооружения" серии "Мелиорация и водное хозяйство" (в печати издательства "Колос"), внедрены в методическую литературу и учебный процесс Университета Дружбы- Народов, Новочеркасской Государственной мелиоративной Академии, Кабардино-Балкарской государственной с/х Академии и других учебных заведений; двум методическим указаниям присвоен гриф УМО "Для межвузовского использования".
Личный вклад в решение проблемы. Диссертационная работа является результатом пятнадцатилетних научных исследований автора. Постановка проблемы и определение задач для ее решения с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования, научное обоснование и анализ, формирование всех итоговых выводов осуществлены лично автором диссертации. При разработке отдельных конструкций ПФУ и водопропускных сооружений принимали участие инженеры, ассистенты и научные работники под научным руководством и постоянном непосредственном участии автора диссертации. Конструкция ПФУ аккумулирующей емкости разработана совместно с д.т.н., проф. |Недригой В.П.| , с.н.с. Дидовичем М.Я., и Захаровым М.Н. При постановке ряда задач, рассмотренных в
щссертации, автор получил ценные советы от своих научных консультантов д.т.н., проф.|Недриги В.П,|, и д.т.н., проф. Румянцева И.С, і также от д.т.н., проф. Веригина Н.Н.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
Зыли неоднократно обсуждены и одобрены: на семинаре по
ггроительству каменно —земляных плотин (Москва, ВНИИ "ВОДГЕО",
1984); на первой научно—технической конференции кафедр КБАМИ
[Нальчик, 1985); на республиканской научно—технической конференции
'Молодежь и естественные науки" (Нальчик, 1985); на научно —
практической конференции "Совершенствование методов
хроектирования в водохозяйственном строительстве" (Новочеркасск,
1985); на республиканской научно—практической конференции
'Молодежь, наука и техника" (Нальчик, 1985); на XVй научно-
технической конференции по проблемам строительства и
машиностроения (Нальчик, 1988); на региональной научно—технической
конференции "Повышение эффективности использования водных
ресурсов Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1988); на научно-
практической конференции "Молодежь—народному хозяйству" (Нальчик,
1988); на научно — практической конференции "Наука —производству"
[Нальчик, 1989); на Всесоюзной научно — технической конференции
"Повышение эффективности использования водных ресурсов в сельском
хозяйстве", секция гидравлики и фильтрации (Новочеркасск, 1989); на
семинаре МГМИ по разработке "Программы" для вузов специальности
31.11—Механизация мелиоративных работ "Мелиорация,
гидротехнические сооружения и экология" (Москва, 1989); на Всероссийской научно — практической конференции "Экологические аспекты мелиорации Северного Кавказа" (Новочеркасск, 1990); на Всероссийской научно—практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования эрошаемых земель" (Новочеркасск, 1995); на научно —практической конференции КБГСХА (Нальчик, 1995); на межвузовской научно-практической конференции в секции "Технические науки" (Нальчик, 1996); на научно-технических Советах—совещаниях Управления "Каббалкавтодор" и проектного института "Каббалкводмелиорация" (Нальчик, 1996); на заседаниях кафедры "Гидротехнические сооружения и инженерные конструкции" , Совета факультета "Природоустройство" и Ученого Совета КБГСХА (Нальчик, 1996); на заседании сотрудников \аборатории гидротехнических сооружений и плотин из грунтовых материалов ВНИИ "ВОДГЕО" (Москва, 1997) и др.
Результаты выполненной работы были представлены на ВДНХ СССР и отмечены Серебряной медалью за научные успехи в области конструирования грунтовых плотин (Москва, 1992).
Основные положения диссертации опубликованы в центральной печати и ведомственных сборниках, в том числе в журналах "Гидротехническое строительство" 1992, 1994, 1995; "Энергетическое строительство" 1991, 1993; "Мелиорация и водное хозяйство" 1991, 1997 (в печати); "Известия вузов. Строительство и архитектура" 1990 (2 статьи), 1991; Труды ВНИИ "ВОДГЕО"- 1985, 1987 (2 статьи) и др.
Публикации. Основные научные достижения, полученные в рамках рассматриваемой диссертации, опубликованы в 42 работах. Автором получено 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы, содержащего 483 наименований, и приложений с актами внедрения. Основное содержание диссертации изложено на 487 страницах, включая 325 страниц машинописного текста, 103 рисунка, 16 таблиц и 39 страниц библиографии.
