Проверка устойчивости водосливной плотины на сдвиг ее по нескальному основанию
1. Общие положения. При проверке устойчивости водосливной плотины на сдвиг по ее нескальному основанию прежде всего составляют упрощенную расчетную схему поперечного сечения рассматриваемой плотины, отбрасывая различные детали, которые не могут существенно влиять на окончательные результаты расчета. Не учитывают влияние на устойчивость плотины свайных шпунтовых рядов, а также сопротивление сдвигу водобойной плиты, в которую «упирается» плотина, так как данная плита должна находиться в состоянии, достаточно близком к предельному равновесию (без учета давления на нее со стороны плотины).
Обычно все силы, действующие на плотину, разлагают на горизонтальные и вертикальные их составляющие, причем в дальнейшем оперируют только двумя системами сил: горизонтальной и вертикальной.
Выполняя расчет, различают расчетные случаи, при этом учитывают нормативные значения коэффициентов надежности, условий работы, сочетаний нагрузок для различных расчетных случаев, а также численные значения соответствующих характеристик, в частности, прочностных характеристик нескального грунта.
При выполнении расчета водосливной плотины на сдвиг по нескальному (а также и по скальному) основанию приходится различать два случая: 1-й случай (относящийся главным образом к скальному основанию): водосливная часть плотины отрезана деформационными Швами от быков. Здесь устойчивость быков на сдвиг рассчитывают отдельно. При рассмотрении водосливной части плотины выделяют 1 м длины плотины и рассчитывают его (рассматривают плоскую задачу). 2й случай: водосливная часть не отрезана от быков. Здесь выделяют конструктивную секцию плотины, состоящую часто из двух полубыков и заключенного между ними участка водосливной плотины, и рассчитывают ее.
При этом используют один из следующих двух способов расчета: 1) рассчи тывают на сдвиг данную секцию плотины в целом (рассматривают пространственную задачу); 2) рассчитывают на сдвиг 1 м водосливной части плотины с учетом сил: а) непосредственно действующих на эту часть; б) дополнительных сил горизонтальных и вертикальныхи водосливного участка плотины.
По второму способу расчет вести удобнее: а) условно предполагают, что затворы передают гидростатическое давление не на быки, а на плотину, т. е. при рассмотрении выделенного 1 м длины водосливной части плотины учитывают весь треугольник гидростатического давления 1—2—3 (рис. 19.6), а не только трапецию 1—4—5—3; б) давление льда на быки равномерно распределяют по всему фронту плотины, т. е. считают его равным Ра (см. рис. 19.2); в) увеличивают вес выделенного 1 м плотины, как было отмечено выше, на значение Ру.
Рассматривая устойчивость плотины на сдвиг в случае нескального основания, различают: 1) сдвиг плотины по горизонтальной плоскости основания; 2) сдвиг плотины по некоторой поверхности осно вания (без захвата грунта основания). В этом случае построение расчета устойчивости плотины на сдвиг.ничем не отличается от построение расчета устойчивости плотины в случае скального основания.
Ниже рассмотрим только второй случай, когда сдвиг плотины происходит с захватом грунта основания. Этот случай может иметь место: а) при наличии достаточно глубокого и прочного верхового подплотинного зуба, который при сдвиге плотины может увлечь за собой некоторый объем грунта основания (рис. 19.7); б) при наличии неоднородного грунта основания, когда прочностные характеристики грунта на некоторой глубине основания оказываются меньшими, чем на его поверхности.
Применительно ко второму случаю рассмотрим два способа расчета устойчивости плотины: 1-й способ, относящийся только к плотине с верховым зубом и к однородному грунту основания; 2-й способ, относящийся какк плотине с верховым зубом (при наличии однородного грунта), так и к любому неоднородному основанию. Как будет видно из дальнейшего, пользуясь 1-м способом, считают, что основной частью поверхности сдвига является горизонтальная плоскость, проходящая на уровне подошвы зуба; в случае же 2-го способа пользуются методом круглоцилиндрических поверхностей сдвига грунта. 1й способ несколько условный: однако опыт показывает, что часто результаты расчета здесь получаются вполне приемлемыми.
Пользуясь 2-м способом, приходится задаваться рядом круглоцилиндрических поверхностей сдвига (проходящих через точку т, показанную на рис. 19.8), причем, как и в случае расчета земляных откосов, необходимо отыскать самую опасную поверхность сдвига, характеризующуюся минимальным коэффициентом запаса устойчивости. Именно этот минимальный коэффициент и принимают как коэффициент запаса устойчивости плотины. 2-й способ более точный; однако он имеет тот недостаток, что здесь приходится рассматривать ряд круглоцилиндрических поверхностей сдвига способы расчета устойчивости сооружений.
2. Расчет устойчивости на сдвиг плотины, имеющей глубокий верховой зуб (случай однородного основания) В соответствии со сказан ным, поверхность возможно ного сдвига плотины счита ют образованной гремя пло скостями: АВ, ВС и CD (см рис. 19.7). Основную гори зонтальную часть поверхно сти сдвига ВС условно счи тают подошвой плотины причем грунт, лежащий вы ше этой поверхности (за штрихованный на рисунке) присоединяют к телу плоти ны. В этом случае пьезо метрическую линию Р—Р, определяющую противодавление, можно (при отсутствии дренажа под плотиной) строить для условного подземного контура 1—2—3—В—С—5, считая при этом удельный вес заштрихованного грунта (расположенного выше линии ВС) равным 20 кН/м3, где унас — удельный вес насыщенного водой грунта.
При наличии дренажа под плотиной линию Р—Р приходится строить для действительного подземного контура 1—2—3—В—4— 5, полагая удельный вес грунта, расположенного выше поверхности ВС, равным удельному весу взвешенного грунта.
Выполняя расчет по приведенной формуле, надо иметь в виду следующее: 1)пассивный отпор Еп можно учитывать только в том случае, если мы допускаем некоторую (небольшую) деформацию сдвига плотины в сторону нижнего бьефа. Иногда пассивный отпор не учитывают, имея в виду возможность возникновения за плотиной воронки размыва; 2) в расчете активного давления грунта глинистого понура на плотину учитывают вертикальные составляющие фильтрационных сил, действующих на грунт понура. При определении же активного и пассивного давления грунта основания на плотину фильтрационными силами пренебрегают; это допущение не идет в запас; 3) при наличии наносов, отлагающихся перед плотиной, необходимо соответствующим образом учитывать их давление на плотину.
3. Метод круглоцилиндрических поверхностей сдвига. В данном случае приходится рассматривать ряд окружностей сдвига, проходящих через точку т (см. рис. 19.8). Поясним определение момента сдвигающих сил Np и момента предельных сил сопротивления R для одной окружности сдвига (остальные окружности рассчитываются аналогично). При этом, рассматривая случай однородного грунта основания, имеем в виду плоскую задачу.
Как видно, многие силы, которые мы рассмотрели в § 19.2, в методе круглоцилиндрических поверхностей сдвига не используются. Здесь в расчет входят иные силы. Моменты сил приходится подсчитывать, разбивая соответствующие площади, показанные на рисунке, на отдельные элементарные фигуры (вертикальные полоски небольшой ширины и т. п.)
Приведенная выше формула для сдвигающего момента является точной (она получена без использования какихлибо допущений). Что касается формулы для момента сил трения, то эта формула без учета фильтрационных сил в области отсека обрушения (фильтрационные силы почти не влияют на значение они существенно влияют на Мсдв). При выводе формулы для весового давления, давлением льда мы пренебрегали.