Диссертация (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 9

плотин, которые в своём составе сочетают бетоннуюи грунтовую плотины. При проектировании сооружений для Южно-Якутскогогидроэнергетического комплекса рассматривался целый ряд комбинированноготипа плотин [Саинов, Котов, 2011, Сравнение вариантов…].1.5. Задачи работы, задачи исследованийКак было показано ранее, совершенствование конструкций грунтовыхплотин с негрунтовыми ПФЭ для повышения их надёжности в настоящее времяявляется актуальной задачей гидротехнического строительства. При этомосновноевниманиедолжнобытьуделенотемпротивофильтрационнымконструкциям, которые выполняются из жёстких материалов (бетон и т.п.) иимеют малую толщину. Решение этой задачи и будет являться целью даннойработы.В работе необходимо рассмотреть ряд существующих или перспективныхконструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ, выявить недостатки этихконструкций, а также предложить меры по их совершенствованию.Таким образом, задачами работы являются следующие исследования:1) Исследования работы грунтовых плотин с жёсткими негрунтовымипротивофильтрационными стенками, расположенных как в основании, так и втеле плотины.

В рамках данных исследований необходимо также оценить46работоспособность узлов сопряжения между собой негрунтовых конструкций,выполненных в основании и в теле плотины;2) Исследования работы грунтовых плотин с железобетонными экранами.Этиисследованиядолжнывыявитьпричинытрещинообразованиявжелезобетонных экранах, а также оценить влияние различных факторов наопасность трещинообразования. В рамках этих исследований необходимо такжеоценить работоспособность сопряжения железобетонных экранов с основанием идругими конструктивными элементами плотины;3) Исследования работы грунтовых плотин с массивными негрунтовымипротивофильтрационными элементами, в частности плотин с инъекционнойзавесой (ядром);4) Исследованияработыгрунтовыхплотинскомбинациейпротивофильтрационных конструкций, а особенно работы узла их сопряжения.

Вэтой связи имеет смысл рассмотреть работу грунтовой плотины с железобетоннымэкраномвсоставекомбинированноговодоподпорногосооруженияработоспособностьконструкций,(комбинированной плотины).Чтобыоцениватьнадёжностьинеобходимо иметь возможность определять их прочностное состояние, а этоможно сделать только на основе исследований напряжённо-деформированногосостояния (НДС). Но исследования НДС таких конструкций являются довольносложными, т.к. они должны учитывать сложный характер формированиясовместного НДС грунтового массива и негрунтовых конструкций. Они могутбыть выполнены только с помощью численного моделирования.Поэтому первой задачей нашей работы является создание методикичисленных исследований, которая позволяла бы позволяла проводить расчётыНДС грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ.47Глава 2.ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНС НЕГРУНТОВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ2.1.Особенностимоделированиягрунтовыхсооруженийснегрунтовыми конструкциямиПрирешениизадачоНДСгрунтовыхплотинснегрунтовымитонкостенными противофильтрационными конструкциями необходимо учитыватьвсе особенности работы этих сооружений.

Остановимся на основных из них.1. Нелинейность деформирования грунтов тела плотины и основания. Приактивном нагружении грунты деформируются упруго-пластически, в нихпроисходят не только упругие деформации, но и развиваются пластические. Приразгрузке же деформирование грунтов можно считать линейным, с развитиемтолько упругих деформаций. При активном нагружении по мере роста нагрузокдеформированиегрунтапроисходитнелинейно,могутпроявлятьсяегодилатантные и реологические свойства. Кроме того, грунты практически невоспринимают растяжения.

Перечисленные особенности деформирования вполной мере относятся к крупнообломочным грунтам (горная масса, гравийногалечниковые грунты), из которых возводятся высокие грунтовые плотины.Степень проявления нелинейности деформирования грунтов зависит отмногих факторов, но прежде всего от его напряжённого и прочностногосостояний.

В высоких грунтовых сооружениях грунт находится в сложномнапряжённом состоянии, которое к тому же постоянно изменяется в зависимостиот внешних нагрузок. Поэтому именно в грунтовых плотинах нелинейностьдеформирования грунтов проявляется особенно ярко. При расчётах НДСгрунтовых плотин требуется учитывать нелинейность деформирования грунтов,использовать нелинейные модели поведения грунтов.2. Влияние последовательности возведения плотины, её негрунтовыхконструкций, а также последовательности приложения нагрузок. Высокиегрунтовые плотины – огромные сооружения, поэтому процесс их строительства48длится годами. Негрунтовые ПФЭ плотин (экраны и диафрагмы) часто возводятсяпослезавершенияосновногообъёманасыпи.Противофильтрационныеустройства в основании также возводятся уже в имеющемся грунтовом массиве.Очевидно, что в этих случаях «история» формирования НДС этих конструкцийотличается от «истории» формирования НДС грунтового массива.

Поэтому прирасчётах необходимо учитывать последовательность возведения как самогосооружения, так и его негрунтовых конструкций.Кроме того, некоторые типы противофильтрационные конструкций (такиекак «стены в грунте» из материалов на основе цемента), вынужденывоспринимать внешние нагрузки, когда их материал ещё не затвердел, поэтомупри расчётах необходимо учитывать технологическую схему их возведения.Ещёоднойважнейшейпричинойнеобходимостиучётаисторииформирования НДС сооружения является то, что она влияет на деформируемостьгрунтового массива.

Напряжённое плотины формируется в ходе длительногопроцесса строительства плотины и заполнения водохранилища, поэтому отмомента укладки в тело плотины к моменту начала эксплуатационного периодадеформативные свойства грунта сильно изменяются. Кроме того, при решениизадачи о НДС грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ необходимо рассматриватьне только историю формирования НДС в период их совместной работы, но ипредысторию нагружения основания.

Таким образом, при расчётах НДСгрунтовых плотин решать не одну задачу, а целый ряд задач.3. Нелинейный характер взаимодействия между грунтовым массивом инегрунтовыми конструкциями. Деформируемость грунтов обычно значительно (внесколько сотен, а то тысяч раз) меньше, чем деформируемость негрунтовыхматериалов (материалов на основе цемента, а также полимеров).

Поэтому частоони не могут деформироваться совместно. На контакте между грунтовыммассивом и негрунтовыми конструкциями могут проявляться нелинейныеэффекты, такие как проскальзывание, отлипание и т.д. Они являются следствиемпотери прочности контактов на сдвиг или растяжение. Поэтому при расчётахнеобходимо моделировать процессы взаимодействия негрунтовых конструкций с49грунтовым массивом и между собой, отдельно определяя напряжённое ипрочностное состояние в зонах контактов.4.

Малаятолщинаинеоднородностьраспределенияжёсткостинегрунтовых конструкций, взаимодействующих с грунтовым массивом. Утонкостенных негрунтовых ПФЭ сильно различаются габариты в разныхнаправлениях. Конструкции из материалов на основе цемента имеют толщину отнескольких дециметров до нескольких метров. А элементы из полимеров – всеголишь несколько миллиметров, это особо тонкие конструкции. Поэтому жёсткостьэтих конструкций различается по направлениям. В процессе восприятия внешнихнагрузок тонкие жёсткие конструкции могут претерпевать значительныедеформации сложного характера.

Это требует особых подходов к численномумоделированию этих конструкций, обеспечивающих необходимую точностьполучаемого решения.5. Необходимость связывания решения задачи НДС с решением задачи офильтрационном режиме работы сооружения. Нагрузки на ПФЭ плотин частоформируютсявследствиевоздействияфильтрационногопотока.Чтобыопределить эти нагрузки, необходимо решить фильтрационную задачу. Учитываябольшоймассивинформации,характеризующийфильтрационныйрежимсооружения, очень сложно преобразовать его в информацию о силовомвоздействии фильтрационного потока на сооружения. Поэтому целесообразноформироватьмодельсооружения,общуюдлярешениястатическойифильтрационной задач, а также иметь инструмент, связывающий решения этихдвух задач.2.2. Основная особенность моделирования грунтовых сооружений снегрунтовыми конструкциямиДля исследования НДС сооружений и конструкций необходимо преждевсего знать физико-механические свойства среды, а также уметь их отразить врасчёте.

В нашем случае рассматриваемую среду составляют:50 грунты, слагающие тело грунтовой плотины и её основание; негрунтовыематериалы,изкоторыхвыполняютсяпротивофильтрационные и некоторые другие конструктивные элементы плотин, контакты между негрунтовыми конструкциями, а также контактынегрунтовых конструкций с грунтовым массивом.Негрунтовые материалы, такие как бетон и полимеры, с определённой долейприближения можно считать линейно-деформируемыми и даже упругими.Однако грунт – это материал с ярко выраженным нелинейным характеромдеформирования вследствие развития пластических деформаций.