Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование устойчивости откосов и трещинообразования в земляных плотинах и дамбах мелиоративного назначения

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Моделирование устойчивости откосов и трещинообразования в земляных плотинах и дамбах мелиоративного назначения"

БЕЛОРУССИЯ ОГДШ ТКЩЗШГО КРШЮГО ЗНАМЕНИ НАШОЛКСЩОВШЛЬШЛ ШШГУТ !ЗЛИОРЛЦШ И БСВДОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи

ВШТХИДАТ ВШБСАЙ

Ш 627.434G24.Í37.046

Н0ДЕЛ11Р0ВЖШ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И ТРЕЩИНООБРАЗОВ/ЛИЯ В ЗЕМЛЯМ ГШОТШДХ И ДАЙБАХ етКОРАТИШОГО НАЗНАЧЕНА

Специальность 06.01.02 - Мелиорация и орошаемое земледелие

Автореферат вкссертацки на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иинск 1990

Работа выполнена в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент И.В.ФИЛИППОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю.А.СОБОЛЕВСКИЙ

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Э.И.МИХНЕВИЧ

Ведущая организация: Белорусский Государственный институт по проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства

Защита диссертации состоится "_"_1990 г.

в _ час. на заседании специализированного совета

Д.099.03.01 в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени . научно-исследовательском институте мелиорации и водного хозяйства (БелШИМиВХ) по адресу: 220040, БССР, г.Минск, ул. М.Горького, 153.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БелННШиВХ. Автореферат разослан "_" _1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

в. т. кликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тема. Надежная и договечная работа земляной плотины является залогом эффективной и безотказной работы всей гидромелиоративной системы в целом.

Применяемые в настоящее время методы оценки устойчивости и надежности земляных плотин как правило по критерию устойчивости эткосов базируются на гипотезе вдгглоцилиндрических поверхностей вкольжения. По критерию оценки трещинообраэования в плотинах мож-ао высказать лишь общие соображения о причинах возникновения тре-цин, которые основываются на анализе упрощенных схем возможного ¡^формирования элементов плотин. Но во всех приложениях указание оценки базируются на использовании теории прочности. Методы расчетов устойчивости откосов земляных плотин, использующие круг-лоцилиндрические поверхности скольжения, являются весьма условными и приближенными, поскольку нет достоверных методов для определения положения центра наиболее опасной гфуглоцилиндрической товерхности скольжения. А для оценки трещинообраэования в земля-шх плотинах можно сказать нет методики, которую можно было бы знедрить на практике. Поэтом? исследование устойчивости и прочности земляных плотин на физических моделях из тех же, что в на-суре грунтов, анализ и обобщение результатов экспериментальных данных позволит получить нужные для практического применения рекомендации и выводы, что несомненно является актуальным и нуж-гнм для развития гидротехнического строительства.

Цель диссертационной работы. На основании теоретических пред-госылок, вытекающих из анализа известных по рассматриваемой теме юпросов, а т-доке экспериментальных исследований разрушения зем-[яных откосов плотин и трещинообраэования в них на физических годелях различных масштабов, решается кошлекс задач, в именно: 1азработать методику моделирования и пересчета модельных данных в натуру; определить для этого критерии подобия и необходимые словяя, характеризующие идентичность физических процессов модели натуры; разработать рекомендации по определению положения цеит-а наиболее опасной круглоциликдрическоЯ поверхности скольжения асти обрудающегося откоса, разработать аналитические зависимости ля пересчета коэффициентов запаса устойчивости откосов на сдвиг моделей на натуру, а такте зависимостей по определению хритиче-кой внешней нагрузки на гребень и откосы; разработать решлек-ашш по допустимым для плотин малого напора условиям трепана- ■

образования и обусловленного им увеличения фильтрационного расхода. Рассматриваемые вопросы вашш для строительства водохранилкщ-ных плотин, дai.îô обвалования, польдерных систем прудов к водоемов.

Научная новизна. Разработана методам исследования устойчивости откосов земляных плотин на основа круглошшндрическпх поверхностей скольжения в условиях плоско!! задачи; с$ормулировани основные принципы моделирования земляных откосов в условиях фильтрации и без нее; впервые разработана методика оценки устойчивости откосов по обобщающему параметру - коэффициенту запаса устойчивости откосов на сдвиг при их предельном состоянии под действием внешней сдвигавшей нагрузки, а такае предлагаются полуэмпирические зависимости: по пересчету предельных коэффициентов запаса устойчивости откосов на сдвиг с модели на натуру любого масштаба, по расчету критических внешшх нагрузок на гребень и откоси плотин и каналов; по расчету координат центра наиболее опасной круглэцЕШшдричаской поверхности скольжения.

Разработанная методика я новые полуэмпирпческие зависимости позволяют регулировать резерва устойчивости откосов изменением конструкции плотины, а таю:® устанавливать параметры, ограничивающие размеры и условия моделирования.

Исследования образования и самозапечлвания трещин позволили получить рекомендации по ограничению или локализации их, а ш,;енно применения в трецикоспасных зонах песьязннх грунтов, песчаных свай, дополнительного увлажнения низовых откосов, уменьшения интенсивности ззполнекия водохранилищ.

Практическая ценность. В результате теоретических и экспериментальных исследований устойчивости откосов каналов и плотин, трещинообрвзования в них, разработаны .метода» моделирования устойчивости откосов и пересчета их на натуру, а также инженерные мероприятия по борьбе или ограничению трещипообразования, что позволяет проектировать и строить более устойчивые и надежные земляные плотины и гидравлические каналы, эффективно их эксплуатировать.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались н обсуждались на ХХХХШ, ЖНУ и ХХХХУ научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института Шнек, 1987, 1988, 1989 гг., на научно-производственной конференции

'лорусскоп сельскохозяйственной акадег.гаи по итогам исследований 1986 год (г.Гор:ш, 1987 г.), на научной конференции молодых зннх и специалистов ЦЩШ5ЕР а ЕелШТМЕХ "Проблема комплексного пользования и охрзга водных ресурсов Белоруссии гг Украины" :ш!ск, Г987 г.), на двух научно-технических советах Белорусского лиала Всесоюзного НШ1 галургии (1988, 1989 гг.) к на коучно-хническсм совете производственного ойъздкнения "БелорускалиЯ" .Солигорск, 1990 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных ботн, материалы исследований вошли в два научных отчета кафед-по хоздоговорным темам.

На задщт? выносятся - методика моделирования устойчивости мляных откосов в условиях плоской задачи и формулы пересчета эЖрициентов запзсп устойчивости откосов на сдвиг в условиях оской задачи, полученные с применен негл метода масштабных серий, зудьтаты экспериментальных опытов и разработанные способы: по ределению координат наиболее опасных круглоцялиндрических поверх-стей скольнен-л части обрушивающихся земляных откосов; ло изу~ нию условий образования трещин и самозалечиванию их в земляных отинах, по изменению в связи с этим условий фильтрации, по огра-чениэ или недопощени» образования трещин; но определению крити-ских внешних нагрузок на гребень л земляные откосы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав основных выводов, изложенных на 181 страницах маганопясного нота, а также включает 39 рисунков, 8 таблиц, список ллтературы 147 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ГАБОТЦ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемо!! тема, срмулировяны цель и задачи исследований по дальнейшему соверион-вованню методов оценки устойчивости и прочности земляных плотин.

В первой главе изложены существующие методы оценки устойчи-сти относов и трекинообразовапия в земляних плотинах. В настоя-е врег.и в практике проектирования при расчете устойчивости от-сов земляных плотин широкое распространение получили метода счета, предполагавши;? поверхность сдвига я виде дуги окру-ности. от метод впервые был предложен в 1915 г. сведским ангеяерсм терсснсм и в дальне", где:.: развиты;": как совете:"::.:;: (3.3.

Аристовский, А.И.Иванов, П.Л.Иванов, В.В.Соколовский, Р.Р.Чугаев, И.А.Тер-Аракеляи, И.В.Федоров, Н.С.Моргунов, Г.М.Лошзе, А.А.Ш-чипорович, Н.Н.Маслов, Ю.А.Соболевский, О.В.Вяземский, Г.П.Ягодин, М.Н.Гольдштейн, Э.М.Добров, А.Г.Дорф.ан, Г. А. Дуброва, Э.И.Михне-шч и др.), так и зарубеяншяз ученики (К.Терцаги, Г.Крей, А.У.Ви-иоп, К.Феллениус, Д.Тейлор, Я,Х.Хуан, И.Остерман, А.У.Скемптон и др.). Метод основан на определении коэффициента запаса устойчивости на сдвиг как отношение моментов сил удерживающих к моментам сил сдвигающих земляную призму обрушения относительно возможного из большого числа центров поверхности сдвига по дуге определен-, ного радиуса.

Вопросами изучения образования и условий самозалечивания трещин в грунтовых плотинах занимались многие исследователи с использованием весьма ограниченных по известным причинам натурных наблюдений и экспериментальных.испытаний. Результаты исследований приводятся в работах: А.А.Борового, Г.Я.Булатова, В.В.Бурен-ковой, И.М.Васильева, М.Долекаевой, Б.НЛшленкова, Н.Н.Иванова, В.С.Истоминой, Я.Л.Кочан, В.Н.Козлова, Б.Къяренели, Г.Леонардо, П.Ловде, Д.Лоу, В.Ф.Марковича, В.Г.Мелышка, К.Нарайн, А.А.Ничипо-ровича, В.Т.Овсянкина, В.А.Савина, Ю.И.Сватеева, Л.Н.Синякова, А.И.Тейтеяьбаума, В.Г.Радчетсо, Ю.Л.Лядичева, И.В.Филипповича и других.

Большинство исследователей придерживаются мнения, что трещины в земляных плотинах появляются в областях растяжения и сдвига, которые возникают при неравномерных деформациях частей сооружения, а также вследствие недостаточной пластичности материала, уплотненного при возможности ниже оптимальной.

Во второй главе приведены основные характеристики грунтов, как важные и определяющие факторы для оценки устойчивости откосов земляных плотин.

Значительный вклад в исследования грунтоведения внесли А.И.Боткин, Ю.А.Соболевский, И.В.Федоров, П.Л.Иванов, В.Н.Ейленков., Н.Я.Денисов, К.Терцаги, В.А.Флорин, Н.А.Цытович, Е.Г.Чапов-ский, Р.Р.Чугаев и другие.

При оценке устойчивости и надежности земляных откосов ваши ' физико-механические характеристики и зерновой состав грунтов.

Зерновой (гранулометрический) состав исследуемых песчаных грунтов в нашей работе представлен в табл.1.

Таблица I

IГранулометрический состав песка (процентное Песок 'содержание частиц диаметров в мм)

>10 110-5 !5,0- !2,0- 11,0- Ш,5-Ю,25-( <п т _! ? !2!0 !Р*5 !0!5 !0|25!0Л ! <Р'Х

- средаеэернистнй 22 3,4 1.3# 5,3 7,1 34,5 23,6 2,5

с включением камня

- среднезернистый 0 0,9 3,0Й ЭД5 13 42,5 27,2 3,5

- мелкозернистый 0 . 0 0 1,0 1,4 48,06 42,95 6,27

Как известно, на устойчивость откосов существенное влияние оказывают также внешние, главкам образом, гидрогеологические факторы, к которым относятся: а) фильтрационное давление движущейся воды грунтового потока; грунт в области фильтрационного потока рассматривается как взвешенный. Кроме того дополнительно необходимо учитывать, что к каждой единице объема этого грунта приложена сила, действующая по направлению скорости фильтрации: б) механическая суффозия, производимая фильтрующимся грунтовым потокрм. Под воздействием Зяльтрации в фильтрующем откосе происходит де- . формация-фильтрационный выпор и оплывание грунта; в) гидродинамическое давление движущейся воды в патоке неустановившейся фильтрации; г) увеличение веса скелета при исчезновейии гидростатического взвешивания; д) снижение сопротивляемости грунтов сдвигавшим усилиям при насыщении водой вследствие уменьшения в той или иной степени угла внутреннего трения Ж сцепления. -

Третья глава посвящена исследованию устойчивости земляных откосов по кру^яоцилиндрическим поверхностям скольжения в лаборатории на физических моделях из песчаннх натурных грунтов.

Все модели геометрически подобны,.но различны по высоте, устанавливались в непроточный лоток со стеклянными отенками. Заложение откосов" всех моделей было 1:1,5; 1:2 и 1:3, высота 25, 37,5 и 50 см. На модели высотой 25 см выполнено две серии, опытов: одна - по устойчивости откосов, верхний клин которого йа 2/3 высоты был ограничен вертикальной стеной лотка, другая - по устойчивости низового откоса плотины.

Для' получения деформации грунтового откоса был специально сконструирован и построен рычэнный штат, оборудованный динамо- : метром. Наблюдений за деформацией откоса под действием внепнеЯ нагрузки и образованием прп этом кривой скольжения производилось

через боковые стеклянные стенки лотка. Дня этого по боковым стеклянным стенкам лотка свободно вводились в грунт вертикальные тонкие нити, которые присыпались грунтом модели и могли свободно деформироваться по всей высоте обругивающегося грунтового массива.

При достижении грунтом предельного состояния под действием внешней нагрузки, создаваемой рнчакным штампом и измеряемой динамометром, часть грунтового массива грубня плотины совместно с откосом и деформируемыми нитями начинала сползать шиз, образуя по искривлении нитей цилиндрическую поверхность скольжения. Предельная нагрузка на динамометре не превышала 2 кН, напряжения под . штампом не превышали 200 КПа. По искривлению нитей на линии скол: пения вычерчивалась кривая скольжения, затем подбирались ее ра-даус "К "и центр " 0 " поверхности скольжения.

Определение коэффициента запаса устойчивости на сдвиг однородного земляного массива по круглоцалиндрвческой поверхности скольжения производилось по формуле Кб ; (I).

С учетом всех действующих сил по расчетной схеме (Рис.1), коэффициент запаса устойчивости откосов моделей определялся по формуле:

Ке= га; ^

1^810041

Составляющие усилия, входящие в формулу (2), определялись по зависимостям:

Учитывалась также сила от сопротивления сцеплению и треник грунта С по боковым стеклянным стенкам лотка. Эта рала, равная 2СЭС , действует по контакту площади :и обрушивающегося масси ва по стеклу. Направление этой силы перпендикулярно радиусу, прс веденному от центра кривой скольжения "О" к центру тяжести площг да контакта сдвигвюцегося массива со стенками. Момент этой силы равен Я • поскольку все расчеты виполнялись на еди-

ницу ширины сдвигающегося грунтового массива (иирпка штампа Л }

Исследование разрушения откосов на физических моделях

о

о

Рис.1» Расчетная схеиа для оценки устойчивости откосов

(500 разрушений откосов) указывает на следующие значения Кс = 0,79 + 1,34: а в большинстве случаев от 0,95 до 1,10.

Наиболее сложным для определения предельной кривой скольжения и ее радиуса является выбор из множества возможных поверхностей такой, для которой .коэффициент запаса устойчивости имел бы минимальное значение, т.е. задача сводится к определению положения наиболее опасного центра круглоцилиндрической поверхности скольжения обрушивающегося откоса "О" и соответственно еерадиуса " К п.

В результате статистической обработки экспериментальных данных, полученных на моделях плотин и каналов, наш получена следующая зависимость, по которой моадо определять коэффициенты наиболее опасных круглоцилцндрических поверхностей скольжения (Рис.2).

в которой: Не*- высота плотина или откоса от основания до гребня плотины, или до бровки канала; Ж>и У» - абсцисса и ордината наиболее опасного центра круглоцилиндрической поверхности скольжения, которая захватывает часть грубия или бровки и откоса. Начало координат находится не пересечении•линии, проходящей через подошву плотины или дно канала (ось абсцисс) с вертикальной линией, проходящей через начало на гребне плотины или бровку канала наиболее опасной круглоцилиндрической поверхности скольжения (ось ординат), рис.2а; показатель степени, который зависит от коэффициенте заложения откоса плотины ГП , принимается по гра- ' фику рис.2в; а- коэффициент равный 1,05; - параметр, зависящий от наложения мкоса дляШ= 1,5..¿2,0 $ = 0,5 для

пг> з.о « = о,б.

Отношением: .^Щ задаются в зависимости от заложения откоса плотин» П). : -щ» е 0,9... 1,4 для (П- 1,5; -За = 0,88... 1,2 для Щ. = 2,0 и 0,7...1,45 для 1Т1= 3,0.

Четвертая глара посвящена моделированию обрушения откосов по круглоцидиндрическим поверхностям скольжения.

При моделировании грунтовых сооружений придерживаются следующих условий подобия:

Зе « » Л? » 4 , (9)

где ,> » соответ-

ственно масштабные коэффициенты: линейный, .напряженный, объемных

+ 4 а - без фильтрации + д « - с фильтрацией при * * • - о фильтрацией при

+ * * - Им- 25 см

л д * - Нщ= 37,5 см

О е • - Нпл= 50 см 1,5 2,0 2,5 3 т.

Рис.2. К определению центра гшилой скольжения: а/ расчетная схема центра скольяеняя; б/ зависимость координат центра скольтения от заложения

откосов и условий ^иг.ьтрвции; в/ к определению П, в фосг.у че (8).

сил, угла внутреннего трения, сил удельного сцепления. При несвязном грунте С = 0, условия подобия будут Лм=ЛсЛх ; Jw = I (10).

При использовании для ыоделей того же несвязного грунта, что и в натуре, и привода его в такое ш состояние по плотности, получается, что Лк = I и А» = I, и условия (10) преобразуется в простейаее Лн*^« (II).

В случае однородной изотропной линейно-деформируемой среды, если характер деформации в модельном грунте и в натуре совпадает, и в условие (10) вместо маситабшх коэффициентов подставить характерный размер сооружения $ , напряжение 6" и удельный вес грунта Угр , получим безразмерное число, которое будет удовлетворять критерии подобия:

^l&rwk*^™42 (12)

Это число было названо П.Д.Евдокимовым числом моделирования. Б формуле (Гм и б"« , 6м и би . , Ьи и Ин - соответственно напряжения, ширины площадки действия, удельные веса модели . ( И ) и натуры ( И ). Одинаковые Ns для натуры и модели возможны при Л* = I.

В условиях моделирования устойчивости откосов с применением дополнительной внешней нагрузки, создаваемой в опытах рычажным штампом, наш предлагается несколько преобразованная зависимость (12) в следующем виде:

N^-^iL^ Jk_= Idem (13)

в которой N<j. - безразмерное число," Я«и 4н , 4и и -£« , см и Сн - соответственно равномерно распределенные на единицу длины разрушивандие нагрузки т/и, длины кривых скольжения И , О 0 -удельные сцепления кн/м^ для реальных'песчаных грунтов модели и натуры. Экспериментальная проверка на моделях исследованных плотин, подтверждает правильность принятого преобразования.

Кроме условий (12) или (13), являющихся основными для моделирования прочности земляных плотин, необходимо также обязательное выполнение геометрического подобия модели и натуры, применение для модели натурного грунта с идентичными его фязико-механи-чэскимй характеристикам!, кинематического подобия деформаций (в частности, сдвига откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения) модели натуре, идентичности условий работы земляной плотины (в частности, фильтрационных, температурных, по грунтам

и осадкам основания и др.).

Для изучения возможности пересчета модельных параметров на натурные сооружения, наш все экспериментальные данные по устойчивости откосов пересчитаны по приведенной выше формуле (2), в которой внешнее усилие Р от рычаиюго штампа отсутствовало. С учетом усилия Р , создаваемого рычажным штампом, при котором произошел сдвиг в формулу (2) вместо С^ подставлялось значение

- собственного веса L-го отсека с учетом нагрузки от ры-чаяного штампа.

В формулах (2-7) обозначены: Ч - угол внутреннего трения грунта моделей; Çi - собственный вес I отсеков в расчетной схеме (Рис.1); с<1 - угол отклонения центра тяжести расчетного отсека t от вертикали, проведенной с центра кривой скольжения; •€<. - длина кривой скольжения; С - удельное сцепление грунта; Я - радиус кривой скольжения; Pia{&i*<Pi}~ гидродинамическое взвешивание; - давление воды с нижнего бьефа;То)«2£ДС - сила трения грунта о стенки лотка по ллощада 03 ; te - плечо сила U)o ; ft - плечо сила трения о стенки. На графиках (Рис.3-5) представлены серии кривых, которые построены по формуле (2) и отображают:

зависимость коэффициентов запаса, устойчивости откосов плотин на сдвиг по полученным в опытах круглоцилиндрическим поверхностям сколькения и пересчитанным по масштабным коэффициентам J\ , равные: I ; 1,5; 2,5; 10; 20; 30; 40 и 50) для фильтрующих плотин

!(ci<l*o) - /(Я) , (рис.3 и 4) с m = 1,5; 2 п 3, а также для нефильтрирующих плотин Кам«в»в/сЛ), (рис.3 и 5). Верхние выпуклостью вниз кривые рассчитаны для фиктивного как бы сдвига поя увеличенном в заданных масптабах сдвигавшемся на модели о Д = I грунтовом массиве, , ко без учета нагрузки от рычамшго штшша ( 0).

Кривые, полученные на моделях с масштабными коэффициентами , равными I; 1,5 и 2, о дополнительнйй равномерно распределенной предельной нагрузкой ( Р ) под рычакнш птамлом KcCi-!M>-J4JY> . Эти кривые представлены на рис,3-5 s нижней части графиков сплошными выпуклыми кверху линиями. Соответствующую кривые (Рас.3-5) нэми оппрокслшрованн аналитическою зависж.тас-тяки, которые позволяют производить пересчеты ковффяциентов запаса устойчивости откосов с модели на натуру:

- для условий, когда деформация модельных относоз происходила-

Рис.3. Влияние размеров (Л ). фильтрации ( Н? ) и нагрузки на гребень ( КПа ) при залокешш откосов П1= Г,5, на коэффициент залёса устойчивости откосов плотин на сдвиг

( Кс ). Расчеты по традиционному методу ---

по предлагаемому методу---— — —

I

- 13 -

30 40 50

' ■ Масштабный коэффициент

Рис.4. Влияние размеров (Л ), фильтрации ( Н» ), нагрузки на гребень ( К Па.) и заложения откосов ( Щ ), на коэффициент запаса устойчивости откосов плотин на сдвиг ( Кс. ).

• 1 Ке* <*»о}=/0)| щ» з«н** о

/ Кеас<ио)«ЯЛ)| ГП« 1.5. й»о

/

4 * Л

*

\ Ч \ Кса(ЪВООЮ1«а>4-('Л'> "1*0 ! Н» = 0 . \\ кгЛ4.иокт»)«ДЛ)!Пгз 2«НФ=0 \ 1Т1.* 1.51 Не = 0 _____:_ _1____1_

0,0 I

Масштабный коэффициент.

Рис.5. Влияние размеров ( Л )(заюкекия откосов ( ЛП ),

нагрузки на гребень ( КПа) при отсутствии фильтрации ( Н»>=0 ) на коэффициент устойчивости откосов плотин на сдвиг ( Кс ).

под влиянием внешней предельной нагрузки от рычажного штампа

КсЛ1Ч*т>" сы** в •> (14)

— для условий, когда деформация о!коса кйк бы произойдет по той ке круглоцилиндрической поверхности скольжения, но под действием увеличенной в Д раз масса сдвинувшегося под действием нагрузки на штамп модельного массива и всех действующих на него сил:

КсДС<И0> = Ксм1^о/Л . (15)

В формуле (14) обозначены: й, П. и 6 - коэффициенты, зависящие от Шл условий фильтрации:

- при ГП = 1,5 - а = 0,263; 6 = 0,65; 0.= 0,2 - без (фильтрации (Нч>= 0)'и -б■= 0,6; 0.= (3,2 - с фильтрацией (Н^^ 0);

- при 2 .- П. = 0,125; 0,5; а = 0,45 - без фильтрации ( Н» = 0) и -в = 0,3; а. = 0,45 - с фильтрацией (Н» Ф 0);

- при ГП = 3 - П = 0,125; б = 0,25; 0.= 0,7 - без фильтрации ( Н(> = 0) и 6 = 0,15; а = 0,7 с фильтрацией ( * 0).

В формуле (15) обозначено: Ксм(ч_=о) ' - коэффициент запаса устойчивости откоса модели плотины не загруженной нагрузкой на гребне, но рассчитанной по формуле (2) с учетом полученной в опыте модельной кривой скольжения; <Я - пршшмаешй масш-т&бный коэффициент модели плотины, который шкет при необходимости рассчитываться; П.- показатель степени, который зависит от коэффициента запаса устойчивости откоса модели, масштаба ,

залояения откоса модели ГПи , т.е. П =/( Кем(г»о>] ¿|н{ гПм):

при ГП = 1,5 - 1Ь = 0,33, при т = 2 - и. = 0,5-0,55 и при т = 3 а = 0,5-0,55. ■

Коэффициенты запаса устойчивости откосов на сдвиг, полученные по формулам 14 и 15 являются предельными, при которых обеспечивается устойчивость откосов на сдвиг по ^углоцялпндри-ческим поверхностям скольшшя. Все коэффициенты запаса устойчивости откосов, полученные расчетом.по традиционному методу (2), будучи меньшими их (14)нли(15), свидетельствуют о возможности сдвига откоса и разрушения плотины. •

По полученным аналитическим формулам (14) и (15) нами рассчитаны и построены соответствующие кривые, представленные на рис,3 пунктирными линиями. Совпадение расчетных кривых с экспериментальны™, которые представлеш на (рис.3) сплошными

линиями, весьма близки. *

Анализ графиков показывав? (рис.3-5), что при пересечении кривых Ке^«о> и Кс <г*Ср]) (что теоретически невозмокно), точка пересечения указывала бы на ограничение масштабного коэффициента, который не следует превышать.

Основываясь на результатах исследований нами рекомендованы масштабы моделирования устойчивости откоса земляных плотин от М = 1:5 до М = 1:50.

По данным ваших экспериментельных опытов для разрушения гребня и откосов нафильтруювдх моделей требуется внешняя нагрузка на них в 1,4-2,0 рааа больше, чей для фильтрующих плотин. У фильтрующих плотин обрушение откоса всегда происходит с захватом чаоти грунта откоса нижа кривой депрессии. Для определения предельной нагрузки на гребне Щ плотин различной высоты, * нами на основании анализа экспериментальных данных получены следующие .формулы:

для нефилмрувднх насыпей 0

ОЬнн«»01' [ЯКи^Л' | (16)

ДЛЯ фильтрующих ПЛОТИН »х-

Ол,и«к*г + ЕЧК«»^*. (17)

По этим формулам, зная предельную нагрузку на модели масштаба 1:31 , мокко определить предельную нагрузку, на плотину любого ее масштаба, превышение которой вызовет обрушение откоса по круглоцилиндрической поверхности скольжения.

По экспериментальным данным разрушение огвэсов происходило при коэффициентах запаса устойчивости откосов на сдвиг, отличных от единицы как в меньшую на 21так и в большую на 13% стороны: Исходя из этого очевидно следует для обеспечения устойчивости откосов учитывать это изменив соответственно значения нормативных коэффициентов. •

Приведенные выше расчетные формулы и зависимости (8), (1417) рекомендуются для применения при расчетах плотин и каналов из мелких и средней крупности песчаных грунтов, с залояением откосов 1:1,5 + 1:3 , высотой до 10 м.

' Пятая глава посвящена исследованию трещинообразовагая и условий по его ограничению в плотинах из однородного грунта. >

Выявление условий, при которых происходит зарождение и развитие трещин, в такке их самозалечивание в водоподпорных земляных плотинах преде тавлет собой одну из важнейших задач надежност:

плотин. Для исследования конкретных ситуаций трещинообразовакия в плотинах и дамбах, располагаемых на слабых основаниях и на зодрабатываемых территориях, по нашему мнению, следует прибегать ■л физическому моделированию грунтовых плотин в конкретных усло-зиях и возможных в периоды как возведения, так и эксплуатации, зятуациях.

Трещинообразование, обусловленное осадкой основания песча-1ых плотин, исследовалось одновременно с искусственной имията-даей осадок по предложению И.Б.Филипповича по растворению слоев золи, улояенной в основании плотин. Фильтрационные расходы, зсадки гребня и откосов по установленным маркам, положения деп-зессионных кривых, деформации и разрушения элементов плотин, >бусловлешше осадкрй основания, фиксировались и замерялись во аремеш! по часам и суткам. Высота плотин моделей 214 I, 2 и 3 :оотвеготвенно 35, 70 и 92 см,' длина по напорному фронту соот-)етственно 0,5, 27 и 50 см.

Отмечается в начальный период (в первые 3 мин.) после >садки основания значительное увеличение расхода фильтрации, достигающее до 2,5 раз больше чем до осадки. В продолжение 3-5 ¡асов фильтра;ронным потоком выносятся из тела плотины мелкие астицы. В период до полной стабилизации фильтрация в теле пло-'яны идет внутренняя работа по закрытию и образованию новых транш, что сопровождается изменением расхода фильтрации в течение ¡-7 часов с постепенным его уменьшением. Полная стабилизация ильтрацпй наступает через 5-7 до 25 суток.

Поверхностные трещины шириной до 15 ш по мере повышения ровня воды в верхнем бьефе мгновенно закрывались,оставаясь лишь ткрцтыми выше депрессионной кривой. Экспериментально установ-ено, что открытые трещины по контуру с жесткими стенками (нап-имер, стеклянными, бетонными, деревянными) представляют наиболь-ую опасность для фильтрационной устойчивости плотина, могут лительное вреда функционировать и являться очагом размыва лотины.

Экспериментальная проверка самозалечивания искусственно бразованных дренером трещин проведена на фильтрирующих плоти-ах без иммитации осадки основания.

Исследовались открытые поверхностные и закрытые глубинные квозные по всему поперечному сечению плотины, прямолинейные,

горизонтальные трещины, представляющие но нашему мнению наибольшую опасность по размыву и фильтрации.

Исследование осадок указывает на тенденцию к умоньшешио ил с увеличением высоты плотин. Соотношение между высотами моделей-било 1:2:2,63, между максимальными замеченными осадками соответственно 1,2:0,68:0,1.

Исследование функционирования и самозалечивания искусстве® образованных щелей - поверхностных шириной до 4,5 см и глубиной до 25 см на модели из песка средней крупности показало, что большинство из щелей закрались в течение первых Б...10 сек. Процесс самозалечивания щелей протекал следующим образом. После мгновенного извлечения дренера стенки щелк смачивались текущим потоком, уменьшалась сила сцепления и трения между частицами груг та, которые сразу же обрушивались в поток и перекрывали щель. Из всех опытов с поверхностными щелями относительных размеров шириной до. 0,06 и глубиной до 0,3 высоты плотины 97% из них через 5+10 сек закрывались.

Исследование условий функционирования и самозалечивания глубинных эакрвтйх искусственных целей проводилось со щелями различных размеров п различных геометрических форм: квадратной, прямоугольной, треугольной и круглой, которые имели размеры сторон до 8 см, напор до 33 см.

Из различных по форме искусственных глубинных щелей с относительными размерами сторон 0,1, напором 0,5 высота плотины все из них мгновенно закрылись.

И'естая глава посвящена технико-экономической оценке резуль татов выполненных исследований по диссертации.

Нами были приведены расчеты по экономическому сравнения принятых наш двух вариантов - по стоимости и трудоемкости. Применение песчаных свай и увлажнение газового откоса дождевальным: машинами. Расчеты показывают преимущество второго варианта увлажнения, экономическая эффективность которого примерно в два паза лаве по сравнению с применением дождевания.

ОСНОШУЕ выводи

I. Исследование устойчивости откосов на моделях земляных плотин и дамб различных размеров с различны!.;!' залогенпямя откосов, в условиях фильтрации и без нее, с анализом экспериментальных днг.ккх нс методе' гзевтобких серий показало на возможность

именения физического моделирования при обязательном соблюдении: ометрического подобия, полного соответствия характеристик грун-в натуры и модели, а такке равенства обобцагсщях безразмерных сел для натуру и модели, вира-ценных зависимостью профессора Ц. Евдокимова (12) и преобразованной применительно к условиям ¡них исследовании в (13).

2. На основании статистической обработки экспериментального териала по обруаению земляных откосов по круглоцплиндрическим эерхлостям скольжения моделей дамб и плотен получены: формула

н определения координат наиболее опасного центра нруглоцнлиндрп-зксй поверхности сколыкення (8), зависимости по пересчету эффндаентов запаса устойчивости откосов на Сч^пг с модели па гуру (I'D и (15),, а такие формулы для пересчета критической эшней нагрузки на гребень плотины с модели на натуру (16) п 7).

3. Влияние фильтрации и платности грунтов на устойчивость косов весьма значительно, что подтверждается экспериментально

моделях, иллюстрируется графиками (Гле.3-5) и анализом полу-танх формул (14) и (15).

4. В фильтрующих пчотпнах при осадке их основания в условиях эской задачи образуются в основном продольные трещины, которые ж депрессцпоннсй кривой самозалечиваются. Биле кривой депрессии разовавплеся трещины значительных размеров долгое время удержимся без обрусения вертикальных их стенок.

По фильтрационным условиям наибольшую опасность представляют перечные трещины по контактам с жесткими стенками.

5. Образование внутренних скрытых трещин, а такг.е разуплотни грунта в теле плотины под влиянием ссадок сопровождается ■ ¡личением фильтрационного расхода в первоначальный период в

5 раза.

Уменьшение расхода фильтрации, а затем его стабилизация >текала' на модечях плотин через 5-7 до 25 суток.

S. Самозалечиванпе трещин у фильтрующих плотин обусловливавт-во всех случаях (под действием осадок, искусственно образован-с дренерами поверхностных н глубинных) влиянием поступающего шх потока, водонасиценностью грунта дна и стенок трещин, в )тветствин с чем уменьшались коэффициенты сцепления грунта и )л внутреннего трения, что способствовало заилению трещин.

.7. Пересчет размеров трещин с модели на натуру, по назему ■ ¡нив, не монет производиться по геометрическому, подобию, хотя

характер их образования ничем не отличается на моделях различиях размеров.

Оценку влияния трещинообразования на расход фильтрации и устойчивость откосов можно выявить при моделировании плотин, делая допущение, что трещины на модели (их расположение, характер, размер) могут без пересчета соответствовать таковым в натуре и не больше.

Если плотина исследовалась на моделях различных масштабов допустимо для натуры принять безопасными .характер и размеры тре-. щин, полученных на модели плотины больших размеров.

8.- Для ограничения области трещинообразования в объеме плотины, подверженной осадке, а также на периодически опорожняемых водохранилищах перед их осадкой или заполнением производить увлажнение откосов плотины.

9. Разработанная методика моделирования устойчивости земляных откосов плорин и дамб по обобщающему параметру - коэффициенту запаса устойчивости откоса против сдвига может быть рекомендована

в практику исследования и расчета устойчивости земляных сооружений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Экспериментальная проверка условий по самозалечиванию трещин в земляных плотинах. Матер.научн.конф. БелЩИМиВХ, ЦНИИКИВР. Деп. 14 504 08.12.1987 Минводхоз СССР, стр. 176-180.

2. Метод расчета координат наиболее опасного центра кругло-цилиндрической поверхности скольжения откоса земляной плотины. БелНШНГИ Госплана БССР. Информационный листок гё 311, 1989, 4 с. (в соавторстве).

3. Моделирование устойчивости земляных откосов, сдвигащих-ся по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения. НТИ Мелиорация и водное хозяйство. 10 выпуск, Минск, 1990 г., стр.12-19

(в соавторстве). .

Подписано в печать 12.10.90 г. Формат 60x84 1/16. Уч—изд.л.2,0. Заказ 191. Тирах 100 экз. Отпечатано на ротапринте Белорусского НИИ мелиорации и водного хозяйства. Минск, ул.Ы.Горького,153