Трещинообразование в грунтовых противофильтрационных элементах плотины (ядро, экран, диафрагма)

Образование вертикальных поперечных и горизонтальных трещин в грунтовых противофильтрационных элементах плотин в зонах действия напора воды представляет реальную угрозу целостности сооружений. Трещины появляются вследствие возникновения чрезмерных для грунтов этих элементов растягивающих деформаций, проявляющихся как в период строительства, так и при эксплуатации плотины. В этой связи в качестве диагностического показателя трещинообразования рекомендуется использовать показатель относительной (вертикальной или горизонтальной) деформации растяжения e_р грунтов противофильтрационных элементов, которая вычисляется по данным геодезических или телеметрических натурных измерений линейных взаимных перемещений точек DL_р, отстоящих друг от друга на расстоянии L_р:

e_р = DL_р / L_р

Для назначения критериев трещинообразования К1 и К2 используется предельный показатель относительной деформации растяжения грунта, при которой происходит разрыв образца. Для каждого вида грунта показатель устанавливается индивидуально соответствующими механическими испытаниями серии образцов [26].

В общем виде условие обеспечения трещиностойкости противофильтрационного элемента плотины выражается неравенством:

e_р.нат £ /g_n, (З.1)

где e_р.нат — относительная деформация растяжения грунта в противофильтрационном элементе плотины, полученная натурными измерениями; — предельная относительная деформация данного грунта на растяжение (разрыв), полученная механическими испытаниями; g_n — нормативный коэффициент надежности по ответственности сооружения.

За предупреждающий критерий трещинообразования К1, задающий границу между нормальным и потенциально опасным состоянием противофильтрационного элемента плотины, принимается:

K1 = /g_n, (З.2)

За критерий безопасности К2, задающий границу между потенциально опасным и предаварийным состоянием с некоторым допущением рекомендуется принять величину:

К2 = 0,9 (З.3)

Таким образом, критериальные соотношения представляются в виде:

нормальное состояние

e_р.нат £ /g_n = К1; (З.4)

потенциально опасное состояние

К1 = /g_n < e_р.нат £ 0,9 = К2 (З.5)

предаварийное состояние

e_р.нат > 0,9 = К2 (З.6)

Для практического пользования результаты инструментального контроля за трещинообразованием в элементах плотины рекомендуется представлять в виде совокупности графиков e_р.нат (M_i)= f(t), на которых заранее наносятся линии критериальных значений К1 и К2 (рис. З.1).

Рассмотренные выше критерии, основанные на контроле e_р.нат, более приемлемы для контроля образования вертикальных поперечных трещин.

Однако, в противофильтрационных элементах грунтовых плотин возможен иной механизм нарушения сплошности — выпор грунта фильтрационным потоком (если малы вертикальные сжимающие напряжения s_у).

В грунтовых плотинах может иметь место арочный эффект («зависание» противофильтрационного элемента на боковых призмах). Эффект «зависания» обусловлен рядом факторов, главным из которых является разница деформационных свойств (модулей деформации) грунтов противофильтрационных устройств, переходных зон и боковых упорных призм. При этом, как правило, происходит снижение вертикальных нормальных напряжений s_у в противофильтрационных элементах и концентрация напряжений в переходных или откосных зонах. Это снижение s_у может достигать в ряде случаев 60% и более, что, в свою очередь, может привести к образованию опасных прорывов воды и образованию в противофильтрационном элементе фильтрационных трещин гидравлического разрыва горизонтальной направленности. Чтобы исключить появление этих трещин рекомендуется условие трещиностойкости, связывающее между собой s_у и поровое давление воды на напорной грани.

Эпюра продольных деформаций гребня плотины

М₀, М₁, М₂ - марки на гребне плотины

Рис. З.1. К установлению критериев трещинообразования в противофильтрационных элементах плотины.

Для этой цели рекомендуется ввести коэффициент надежности грунта по образованию фильтрующих трещин [4]:

(З.7)

где с_р - коэффициент сцепления грунта противофильтрационного элемента, на разрыв, s_у - измеренное в контролируемой точке грунта противофильтрационного элемента вертикальное напряжение, р_в = g_в × h_в — давление фильтрующейся воды в контролируемой точке (расстояние по вертикали от контролируемой точки до поверхности депрессии).

При послойном уплотнении коэффициент сцепления близок к нулю. В этом случае зависимость (З.7) примет вид:

или s_у = × g_в × h_в. (З.8)

Для контроля трещиностойкости противофильтрационных элементов плотины по горизонтальным площадкам рекомендуется в качестве диагностического показателя принять измеренные вертикальные напряжения , а значения назначать в соответствии со СНиП 2.06.05-84* по аналогии с коэффициентами устойчивости откосов для основного и особого сочетаний нагрузок в зависимости от класса сооружения. Критериальные значения s_yi для любого произвольного сечения на глубине y_i от гребня плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок будут, соответственно равны:

(З.9)

(З.10)

Критериальные соотношения будут иметь вид:

нормальное состояние

£ = К1(y_i); (З.11)

потенциально опасное состояние

К1(y_i) > ³ = К2(y_i); (З.12)

предаварийное состояние

< = К2(y_i), (З.13)

где — натурные нормальные напряжения сжатия.

Приложение И