СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
Сейсмическими (от греч seismos — землетрясение) называются динамические воздействия, связанные с движениями основания сооружения во время землетрясений.
По причинам возникновения землетрясения условно подразделяют на: тектонические (наиболее сильные, возникающие вследствие сбросов, сдвигов земной коры и т. п.); вулканические; возбужденные (возникающие при наполнении глубоких водохранилищ).
Интенсивность землетрясений. На поверхности Земли ее оценивают в баллах по специальным шкалам.
В СССР приняты 12-балльная шкала Института физики Земли и аналогичная ей шкала MSK = 64. Баллам соответствуют: качественные оценки колебаний почвы — степень повреждений зданий и сооружений, ощущения людей и другие природные явления и количественные — ускорения, скорости и смещения. Так, интенсивности 1 землетрясения 7 баллов соответствуют ускорения 50...100 см/с2, скорости 4,1... 8 см/с, смещения 2,1...4 мм; 8 баллам— соответственно 100..200 см/с2; 8,1... 16 см/с, 4,1 ...8 мм; 9 — баллам — соот- ветствено 200...400 см/с2, 16,1...31 см/с и 8,1...16 мм. При увеличении на 1 балл все характеристики возрастают в 2 раза.
Интенсивность очага землетрясения (гипоцентра), располагающегося на глубинах 50...700 км, оценивается энергией Е, излучаемой в окружающую среду. В качестве условного показателя сейсмической энергии очага используют и магнитуду М. Магнитудой называется десятичный логарифм отношения амплитуды А данного землетрясения (смещение грунта) к амплитуде А стандартного землетрясения, записанной на таком же расстоянии от эпицентра (ближайший к очагу участок поверхности Земли) :
В качестве стандартного землетрясения берут самое слабое, амплитуду которого можно записать (1 ...2 балла); его магнитуду принимают равной нулю. Для крупнейших землетрясений 8,5...8,6. По Ю. В. Ризниченко и И. Л. Нерсесову.
Сейсмическое районирование. Более 13 % территории СССР подвержены сильным землетрясениям, в частности Кавказ, Крым, Средняя Азия, Дальний Восток, Саяны, Чукотка, Сахалин и др. На основе обработки сейсмологической информации составлены карты сейсмического районирования [97], где приведена балльность района и повторяемость землетрясений. По ним устанавливают исходную балльность строительной площадки применительно к средним грунтовым условиям. В зависимости от свойств основания балльность уточняют по таблице 8.7. Уточнение сейсмичности в зависимости от свойств основания
Категория грунта по сейсмическим свойствам Грунт основания Уточненная сейсмичность при сейсмичности района, баллы
Расчетные сейсмические воздействия на сооружения. Методы определения сейсмических воздействий подразделяются на: 1) методы, в которых ускорение задается акселерограммами, то есть графиками изменения ускорений колебаний грунта во времени; получение реальных акселерограмм сильных землетрясений для выбранных створов трудно осуществимо, поэтому используют типичные акселерограммы, относящиеся к аналогичным сейсмотектоническим характеристикам; 2) методы, в которых ускорение задается нормативными документами; при этом используется линейно-спектральная теория, регламентированная СНиП II-7—81.
Особенности линейно-спектральной теории: 1) действительная сейсмическая инерционная нагрузка заменяется условной нагрузкой, определяемой для каждой формы колебаний с учетом спектральных свойств сооружения и далее рассматриваемой как статическая; 2) определяются частоты и формы собственных колебаний сооружения и соответствующие им инерционные нагрузки; 3) оценивается прочность и устойчивость при действии нагрузок основного сочетания и сейсмических; 4) при определении инерционных нагрузок и статических расчетов используется общая расчетная линейно-упругая модель.
Инерционная нагрузка, действующая на тело,
При использовании в практических расчетах гидротехнических сооружений в эту формулу вводят обоснованные теоретическими и экспериментальными исследованиями коэффициенты, учитывающие влияние ряда важных факторов.
В качестве приближенной расчетной схемы для многих гидротехнических сооружений рассматривают упругую вертикальную консоль переменного сечения, масса которой сосредоточена в точках (рис. 3.19, а).
Сложное движение при сейсме консоли и ее элементов описывается математически суммой колебаний по 1-му, 2-му... i-му, п-му тону, соответственно
Сейсмическую нагрузку на k-й элемент, соответствующую i-му тону колебаний, определяют по формуле:
Для сооружений I класса силу 5, определяемую по формуле (3.43), увеличивают на 20 %.
Учет влияния водной среды. При землетрясении возникает гидродинамическое давление воды водохранилища на сооружение, которое зависит от длины водохранилища, его планового очертания и поперечных сечений, от параметров колебания сооружения, частоты затухания колебаний которого изменяются при наличии воды в верхнем бьефе. В расчетах учитывают некоторую присоединенную массу воды:
Порядок определения сейсмических воздействий и усилий. Плотину разбивают по высоте на элементы весом Qi, Q2...Qa...Q, в центре тяжести которых приложены сейсмические силы 5. Далее определяют периоды собственных колебаний сооружения и по рисунку 3.19. На основе экспериментов или данных [9, 93] определяют и по формуле (3.44); а затем по формуле (3.43) сейсмические нагрузки Sift. При наполненном водохранилище учитывают вес присоединенной массы (при этом учитывают изменение периодов собственных колебаний и соответствующие коэффициенты динамичности. При расчетах прочности по нагрузке S, определяют в расчетных сечениях значения нормальных и поперечных сил и моментов и Mi [см. формулу (3.45)]. При расчетах устойчивости определяют суммарную сейсмическую нагрузку.
Особенности расчета бетонных плотин. Расчетную схему принимают в виде консольного стержня (см. рис. 3.19, а). Период собственных колебаний гравитационных плотин приближенно равен:
Формы колебаний приведены на рисунке 3.19, а; подробнее в [9]. Важен и учет податливости основания; при податливых основаниях увеличиваются периоды собственных колебаний, изменяются формы колебаний и уменьшаются инерционные нагрузки. Определяющее условие прочности — ограничение зоны растяжения по контакту с основанием.
В расчетах контрфорсных плотин определяют периоды и формы собственных колебаний вдоль и поперек потока. Весьма сложными являются расчеты арочных плотин [9].
Особенности расчета грунтовых плотин. Приближенная расчетная схема грунтовой плотины, имеющей большие поперечные размеры по сравнению с бетонной, — треугольный сдвиговой клин; параметры колебаний его существенно зависят от деформаций сдвига.
К отдельным отсекам в центре тяжести прикладывают сейсмические нагрузки, равные произведению безраз-_ мерного ускорения ap.h на вес отсека. Значение ap.h на контакте с основанием принимают равным. В расчетах учитывают также податливость нескального основания и свойства водонасыщенного грунта [93].
Пути повышения сейсмостойкости плотин. Учет свойств оснований. Сооружения желательно размещать вдали от тектонического разлома, на скальном массиве. Слой илов, мягкопластичные глины и т. п. в основании удаляют, уплотняют или закрепляют. Для водонасыщенных несвязных грунтов проверяют возможность разжижения при сейсме и предусматривают их укрепление или уплотнение.
Конструктивные мероприятия. По И. Нотариусу их можно подразделить на: 1) уменьшающие сейсмические воздействия или их вторичный эффект; 2) направленные на достижение локального эффекта без изменения динамических характеристик сооружения; 3) повышающие сейсмостойкость изменением динамических характеристик сооружения.
Бетонные плотины. Отсутствуют сведения об их разрушении от землетрясений; очень редки сейсмические повреждения с частичным опорожнением водохранилища. Конструктивные предложения: по пункту 1—устройство пневматической завесы (предложение ВНИИГ), автоматически вводимой в действие при землетрясении (через перфорированные трубы на напорную грань подается сжатый воздух); по пунктам 2 и 3 — правильный выбор формы сооружения, расположения швов, компоновки узлов примыкания к берегу и грунтовым плотинам; применение предварительно напряженных и облегченных конструкций плотин, устройство низкомодульных прослоек в основании и др.; возведение там, где это оправданно, гибких сооружений надувного типа, а также сооружений из легких бетонов, введение амортизирующих элементов в тело плотин, облегчение пригребневой зоны; использование пространственности работы плотин при совместной работе секций в узких ущельях.
Грунтовые плотины. Конструктивные предложения по пункту 1: устройство пневмозавес, специальной дренажной системы верхового откоса, включаемой первыми толчками при этом из-за фильтрационного потока появляется прижимная сила повышающая устойчивость откоса; устройство водонепроницаемого (часто асфальтобетонного) экрана, особенно для плотин малой и средней высоты, существенно снижающего сейсмическую нагрузку на откос (заложение снижается до 1,5... 1,8 при 1=9 баллов и препятствующего разжижению грунта; несколько меньшей сейсмостойкостью обладают плотины с асфальтобетонными диафрагмами; по пунктам 2 и 3 — уменьшение порового и гидродинамического давления устройством дренирующих слоев в верховой призме; уплотнение грунта тяжелыми виброкатками, взрывами до плотности, исключающей сейсмическое его разжижение; уполо- жение откосов; крепление откосов каменной наброской или железобетонными плитами, пригрузка камнем; использование сейсмоизоляции (сейсмозащиты) — устройство в теле плотины (особенно эффективно в широком створе) одного или нескольких горизонтальных слоев грунта с динамической жесткостью в 1.5...2 раза меньше, чем тела плотины; в узких створах сейсмоизоляции эффективна на подошве, сейсмические нагрузки снижаются в 1,5...2 раза; динамические характеристики улучшаются и при криволинейной в плане форме плотины; применение армированного грунта в плотинах, подпорных стенках, особенно в сооружениях с высотой Я до 30 м и более (экономия стоимости 10...60 %); на гребне плотин —использование сетчатого рулонного армирующего материала (нейлоноваясетка); применение гибких сопряжений противофильтра- ционных элементов с основанием.