Расчетное обоснование выбора конструкции и параметров понура мобильных сооружений инженерной защиты из композитных материалов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 627.8:621.224.8

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ПОНУРА МОБИЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ИЗ

КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2011 г. Д.В. Кашарин

Южно-Российский государственный South-Russian State Technical

технический университет (Новочеркасский University (Novocherkassk

политехнический институт) Polytechnic Institute)

Рассматриваются вопросы возведения понура мобильных сооружений инженерной защиты, предназначенных для ликвидации последствий катастрофических половодий и паводков при разрушении дамб обвалований и затоплении селитебных территорий. Приводятся основные критерии выбора конструкции понура и их расчетное обоснование, что позволяет повысить надежность его функционирования и уменьшить время возведения сооружения в целом.

Ключевые слова: гидротехническое строительство; сооружения инженерной защиты; расчетное обоснование; мобильные сооружения; мембранно-вантовые плотины; гибкий понур; гибкая рисберма; грунтонаполняемые; грунтоармированные.

Erection questions upstream blanket the mobile constructions of engineering protection intended for liquidation of consequences of catastrophic high waters and high waters at destruction of river levee and flooding intended for building of territories are considered. The basic criteria of a choice of a design upstream blanket and their settlement substantiation that will allow to raise reliability of their functioning are resulted and to reduce time of erection of a construction as a whole.

Keywords: water engineering; constructions of engineering protection; settlement substantiation; mobile constructions; membrane- truss dam; flexible upstream blanket; flexible apron; filled with soil; reinforced soil.

В России площадь паводкоопасных территорий с населением более 20 млн человек составляет 400 тыс. км2, из них 50 тыс. км2 ежегодно затапливается. Площадь в 150 тыс. км2 подвергается наводнениям с катастрофическими последствиями, охватывая 300 городских и сельских населённых пунктов, большое количество хозяйственных объектов, более 7 млн га сельхозугодий. В связи с этим актуальной является проблема инженерной защиты от природных и техногенных явлений селитебных территорий. Защитные сооружения являются составной частью инженерной защиты предприятий и населенных мест от затопления, подтопления, эрозионных, оползневых процессов и других опасных гидрологических явлений, а также распространения загрязнений при техногенном воздействии [1].

При катастрофических паводках и половодьях могут происходить такие явления, как разрушение основных сооружений инженерной защиты, что обусловливает необходимость при-

менения временных мобильных сооружений, основными качествами которых является оперативность установки. К таким сооружениям относятся мембранно-вантовые, воздухо-водона-полняемые и другие сооружения из композитных материалов [2].

Как показала практика эксплуатации данных сооружений, более 70 % времени при их установке затрачивается на устройство их основания, одной из наиболее важных составляющих которого является понур.

Понуры для данных типов конструкций могут быть подразделены на гибкие, грунтоармиро-ванные, грунтонаполняемые и жесткие. Различные варианты понура представлены на рис. 1, а критерии для допустимых вариантов — в таблице.

Критерием обеспечения устойчивости сооружения является условие:

81е? = , (1)

где у/с — коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,95... 1,00 для IV класса сооружений; ус — коэффициент условий работы, ус =1,00 для IV класса сооружений; уп — коэффициент надежности по степени ответственности сооружения, принимаемый уп =1,1 для IV класса сооружений.

При этом должно выполняться условие:

R

F

> 1,1 .

Критерием обеспечения общей фильтрационной прочности нескального основания следует условие:

1est ,m — 1cr ,m .

Yn

(2)

Требования к понурам зависят от условий строительства без отвода воды и с отводом воды (условия установки).

Гибкие флютбеты представляют собой незамкнутые или замкнутые полотнища (оболочки) из композитных материалов. В случае применения незамкнутых гибких оболочек согласно опыту проектирования в первом приближении их длина принимается 1п = 2,53Н (рис. 1 а) [3]. Расчетная схема гибкого незамкнутого флютбета приведена на рис. 2.

Равнодействующая горизонтальной проекции силы гидростатического давления соответствует сдвигающим усилиям и определяется для прямоугольного русла по формуле:

2'

F = Pxl - Px 2 = 2 Pgb (( - hg),

где р — плотность воды, кг/м3; Ь — ширина русла; Нвб, Нб — соответственно глубины в верхнем и нижнем бьефах, м.

Для определения силы сопротивления сдвигу необходимо вычислить равнодействующую вертикальных сил и коэффициент трения флют-бета.

Вертикальная составляющая силы гидростатического давления на водонепроницаемую часть флютбета определяется по зависимости

(3)

Р1 = рgt>l (Явб - а - () вес понура и засыпки

в = gtl (рвзва + РпО ,

(4)

где I — длина понура; а — высота пригрузки; ^ — толщина гибкого понура; рвзв и рп соответственно плотности пригрузки и материала понура.

Взвешивающая сила давления воды на водонепроницаемую часть флютбета рассчитывается по формуле

Wb3B = №blh6 •

(5)

Рис. 1. Виды понуров: а — гибкий; грунтонаполняемый; в — грунтоармированный; г

жесткий

Критерии для допустимых вариантов понура

Номер Критерий

вари- Обеспечение устойчивости Фильтрация Осадка Стоимость

анта сооружения R / F (1) 1 est,m / 1 cr, j (2) S / sm 1 п.м, руб.

1 0,8 0,82 0,75 0,3

2 0,9 0,77 0,85 0,79

Примечание. F Я - расчетные значения соответственно обобщенных сил, сдвигающих, предельного сопротивления, или моментов сил, стремящихся повернуть (опрокинуть) и удержать сооружение; 5- совместная деформация основания и сооружения (осадки 5, горизонтальные перемещения и и крены I, повороты вокруг вертикальной оси и др.); 5и - предельное значение совместной деформации основания и сооружения; 1сг т - расчетное значение осредненного критического градиента напора.

Рис. 2. Схема к расчету гибкого незамкнутого понура с пригрузкой

Силу фильтрационного давления на флютбет приближенно можно определить в соответствии с эпюрой на рис. 2 по следующей зависимости:

Жф = 2 Pgbk,

(6)

где £ — геометрический перепад.

Тогда, в соответствии с уравнениями (3)—(5), сила сопротивления может быть определена по следующей зависимости:

R = f •( + G - WB3B - Жф),

(7)

где f — коэффициент трения, например, при трении резино-кордовой ткани ТК-180р по суглинку составляет f =0,6, а по песку f =0,65.

Для увеличения коэффициента трения автор предусматривает увеличение шероховатости понура, т. е. создания его профилированной нижней части.

Критерий устойчивости в соответствии с формулами (2)—(7) можно представить в следующем виде для любого поперечного очертания сечения русла:

R = 2f • I-[р(0,5 • z - a -1) +

F p(( - h2

• a +

Pn • t]

Однако для более точного расчета устойчивости необходимо определить величину фильтрационного давления на фильтрационный контур, выходную скорость фильтрационного потока и фильтрационный расход, а также определить его очертание (для снижения перечисленных выше параметров). Результаты моделирования процессов фильтрации для песчаного основания, проведенным в ЮжНИИГиМе методом электрогидродинамической аналогии (ЭГДА) представлены на рис. 3.

Рис. 3. Схемы гибкого понура с незамкнутой оболочкой с линиями равного напора и эпюрами фильтрационного давления: а, б — варианты незаглубленного понура; в, г — варианты понура

с заглубленной частью

При одной и той же длине водонепроницаемой части понура, но при различных его очертаниях и без заглубления в грунт основания не происходит значительных изменений в величине и распределении фильтрационного давления по подземному контуру. При увеличении угла наклона участка понура происходит увеличение выходных скоростей, а в случае заглубления части понура последняя выступает в роли шпунта.

Гибкие с незамкнутыми полотнищами понуры заполняют все неровности и пустоты основания сооружения, а их материал воспринимает только растягивающие напряжения.

В начальной стадии разрушения грунта основания создается фильтрационный напор или начинается суффозия в зоне выхода фильтрационного потока в нижний бьеф, после чего наблюдается облегание области разрушения материалом флютбета, что подтверждают данные физического эксперимента Г. А. Штокалова (рис. 4) [4].

Ввиду разрушения (выноса) грунта основания из-под сооружения, гибкий флютбет приобретает возможность самозаглубления. Плоский незаглубленный флютбет имеет горизонтальные и вертикальные пути фильтрации, за счет чего увеличивается его «эффективная» длина.

Если устойчивость сооружения не обеспечивается незамкнутым гибким понуром, рекомендуется использовать конструкцию с грунтонаполняе-мым замкнутым полотнищем, которое благодаря своей водонепроницаемости и пригрузке, заключенной в оболочке, увеличивает непроницаемый подземный контур и значительно повышает устойчивость сооружения на сдвиг, исключает необходимость анкеровки в понурой части, так как воспринимает часть сжимающих усилий, препятствует образованию полостей при осадке основания сооружения и сосредоточенных путей фильтрации, обеспечивая водонепроницаемость стыка понура с водобоем.

Для предотвращения опасной контактной фильтрации рекомендуется устраивать грунтона-полняемый зуб, а с целью снижения длины подземного контура возможно устройство специальных отверстий под водобойной частью грунтона-

полняемого флютбета (в этом случае в качестве заполнителя рекомендуется песок).

В соответствии с существующими теоретическими решениями для плоского незаглубленного флютбета в месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф создается фокус размыва. В случае заглубленного жесткого флютбета, наряду с фокусом размыва I рода (в месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф), имеется фокус размыва II рода (в угловой точке флютбета со стороны нижнего бьефа) [5].

Так как размеры зоны фокуса размыва малы по сравнению с размерами частей подземного контура сооружения, то она не оказывает существенного влияния на режим фильтрации и численные значения гидродинамических характеристик фильтрационного потока. Однако фокусы размыва в особых точках подземного контура флютбета, а особенно двойные фокусы, опасны в отношении фильтрационной прочности грунта основания сооружения, так как в них начинаются процессы её нарушения. Исключить возможность их появления можно при использовании гибкого грунтонаполняемого флютбета. Также в месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф, по сравнению с жесткими флютбетами, скорость фильтрации будет величиной меньшей, а значит, закругление выходных участков флютбетов может служить мерой борьбы с фокусами размыва I и II рода. При этом уменьшается вероятность вымыва и выноса частиц грунта фильтрационным потоком, а удлинение пути фильтрации обеспечивает устойчивость основания сооружения.

Грунтонаполняемый флютбет считается плоским при ? < 0,11п и подземный контур сооружения можно аппроксимировать полуэллипсом. Принимаем соответственно толщину флютбета ? равной малой Ь, а длину флютбета большой полуоси эллипса а.

Для определения приведенных напоров по основанию сооружения можно использовать зависимость, полученную Ю. М. Косиченко [5]:

Рис. 4. Изменение положения сооружения при выносе грунта из-под флютбета

2 2 x2 + y2 + (a2 - b2 ) " x 2 + y2 + (a2 - b2) 2 - 4(a2 - b2)x2

2 • (a2 - b2)

и 1 1

h =---arcsin £,

2 п

По данной зависимости можно построить эпюру приведенных напоров по всему подземному контуру сооружения.

Для оценки расхода фильтрации определяем приведенные скорости и сравниваем их с критическими. Приведенная скорость фильтрации в любой точке грунтового потока определяется по следующей зависимости:

1 sin лфг • ch (0 + щг)

2 2 п sin2 лфг + sh2 (0 + щг)

где 0 = Arch • а.

При расчете деформации основания грунтона-полняемого понура можно применять расчетные схемы в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи Hc или линейно-деформируемого слоя. В случае последней схемы рассматриваются следующие варианты:

а) в пределах сжимаемой толщи основания Hc, принимаемой до кровли малосжимаемого грунта и определенной, как для линейно-деформируемого полупространства, залегает слой грунта с модулем деформации E1 > 100 МПа (1000 кгс/см2) и толщиной hj, удовлетворяется условие

h > нс

где Е2 — модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е1;

б) ширина понура Ь ^ 10 м и модуль деформации грунтов основания Е ^ 10 МПа.

Среднее давление под понуром р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания Я, кПа (тс/м2), определяемого по формуле [6]

R =

Yc1Yc2

k

Mykzb Yjj + Mqdlijj +

+(Mq - 1)dbYjj + McCn

где ус1 и ус 2 — соответственно коэффициенты условий работы, принимаемые по табл. 3 работы [6]; k — коэффициент, принимаемый равным: k = 1, если прочностные характеристики грунта (ф и с) определены непосредственными испытаниями, и k = 1,1 согласно справочным данным;

Му , Mq , М - коэффициенты, принимаемые по табл. 4 [6]; kz — коэффициент, принимаемый равным: при Ь< 10 м— k=1, при Ь ^ 10 м — kz=z0/b+0,2 (здесь г0=8 м); Ь — ширина основания понура, м; уц — осредненное расчетное значение удельного веса грунтов с учетом взвешивающего действия воды, кН/м3; у'ц — удельный вес воды; еи — расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего ниже грунтоар-мированного основания, кПа; й1— глубина залегания грунтонаполняемого основания от уровня тальвега.

Расчетное сопротивление грунта при соответствующем обосновании может быть увеличено, если конструкция понура улучшает условия его совместной работы с основанием.

В случае водонасыщенных оснований, сложенными биогенных грунтами, (заторфованными, торфами и сапропелями) и илами, необходимо учитывать их значительную сжимаемость, медленное развитие осадок во времени и возможности в связи с этим возникновения нестабилизи-рованного состояния, существенной изменчивости и анизотропии прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик, изменения их в процессе консолидации основания, а также значительной тиксотропии илов.

Если непосредственно под подошвой грунто-наполняемого понура залегает слой грунта с модулем упругости Е < 5 МПа толщиной более его ширины, тогда осадка должна определяться с учетом полного давления под ним.

При расчетных деформациях грунта основания, сложенного биогенными грунтами и илами, больше предельных или недостаточной несущей способности основания, должны предусматриваться следующие мероприятия: вытеснение грунта грунтонаполняемым основанием при толщине биологических грунтов и илов не более 0,2 м; полная или частичная прорезка слоев биогенных грунтов и илов при устройстве грунтонаполняе-мого понура; полная или частичная замена биогенного грунта или ила песком, гравием, щебнем и т. д.; уплотнение грунтов временной или постоянной пригрузкой основания сооружения или всей площадки строительства насыпным (намывным) грунтом.

Грунтоармированный флютбет возводится при необходимости увеличения создаваемого сооружением подпора. При помещении в грунт горизонтальных армирующих элементов предотвращается боковое напряжение из-за трения между грунтом

и арматурой. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что коэффициент трения достигает максимальных значений при длине арматуры 8 м.

Грунтоармированные конструкции с применением полимерных композитных материалов включают в себя три основных конструктивных элемента (рис. 5): облицовки фронтальной поверхности (лицевая стенка) из композитных (например, резино-кордового или иного подобного) материалов; анкерные элементы, из того же материала (грунтонаполянемые оболочки); армолен-ты из композитных материалов; грунтовый массив, находящийся во взаимодействии с анкерными устройствами, гибкими связями, анкерными дренажными системами.

Проведенные совместно с Т. П. Кашариной исследования и анализ зарубежных исследований грунтоармированных конструкций позволили получить новое конструкторское решение грунтоар-мированного основания с учетом патента РФ [7]. Лицевая стенка выполняется из резино-кордового материала и фиксируется в основании сооружения и боковинах (для исключения фильтрации в обход сооружения) согласно рис. 5.

Рис. 5. Расчётная схема грунтоармированного элемента: 1 — лицевая стенка; 2 — двойная армолента (возможна перфорация);

3 — уплоненный грунт; 4 — заглубленная лицевая стенка

Армирующие ленты продеваются в прорезы лицевой стенки и закрепляются специальным элементом. Для улучшения работы всего сооружения в целом армирующие ленты на расстоянии Ь разъединяются в два ряда (причем нижний ряд может быть рассечен на несколько лент), что позволяет перераспределить нагрузку и сдерживать сдвиг грунта.

На основании экспериментальных и натурных исследований автором предлагается вторую армо-ленту располагать в зоне сопротивлений грунта. При расчетах прочности и устойчивости сооружений из армированного грунта рассматриваются два вида предельного состояния: общая устойчивость всего сооружения и внутренняя прочность [8]. Последняя определяется по суммарному растяги-

вающему усилию в арматуре на расчетном уровне по формуле:

4

N0 = N1 + N2 = J 2b • щ • f у- h • dl + 0

l2

+ J 2b2 • m 2 • / • Y • h • dl = 2у • h x

0

x(bml • fi li + bm2 • /2 • I2),

где N0— суммарное стягивающее усилие во всех слоях арматуры, соответствующих поверхности обрушения; N1, N2— растягивающие усилия в прямолинейных и наклонно расположенных ар-молентах; bl, b2— ширина прямолинейной и наклонной армолент; h — высота рассматриваемого слоя грунта над армолентами; / / — коэффициент трения грунта по арматуре; l l — длина прямолинейной и наклонной армолент; у — объемная плотность насыпи; k — коэффициент, учитывающий наклон армоленты.

В случае невозможности устройства другого типа флютбета на гравелисто-галечниковом основании устраивается бетонный понур, фильтрационный расчет которого выполняется по методу коэффициентов сопротивления или способу удлиненной контурной линии проф. P.P. Чугаева.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований автором разработаны критерии выбора и расчетное обоснование параметров понура мобильных сооружений инженерной защиты. Одними из основных критериев выбора определены устойчивости мобильного сооружения на сдвиг и фильтрацию. Обоснован диапазон условий, при которых возможна установка сооружения непосредственно в русло без предварительной подготовки основания, что позволяет уменьшить время установки сооружения.

Литература

1. СНиП 2. 06. 15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления. М., 1985. 25 с.

2. Кашарина Т. П. , Кашарин Д. В. Мероприятия и технические решения по защите агропромышленного комплекса от подтоплений и эро-зионно-оползневых процессов / ЮжНИИГиМ; Новочерк. гос. мелиор. акад. Новочеркасск, 2001. 57 с.

3. Кашарин Д. В. Оптимизация выбора сооружений из композитных материалов для инженерной защиты при водохозяйственном строительстве // Эффективность мероприятий на юге России: материалы науч.-практ. конф., 23-24 сентября 2009 г., Новочеркасск / Новочерк. гос.

мелиор. академия. Новочеркасск, 2009. Т. 2., вып. 7. С. 175—180.

4. Штокалов Г. А. Глубоководные лиманы и пути их усовершенствования: дис. . . . канд. техн. наук. Новочеркасск, 1972.

5. Косиченко Ю. М. Гидромеханическое решение для плоского грунтонаполняемого флютбета // Тр. НИМИ. Новочеркасск, 1974.

6. СНиП 2. 02. 02—85. Основания гидротехнических сооружений: Утв. 12. 12. 85 Госстрой СССР. М., 1985.

Поступила в редакцию

7. Пат. 2181407 РФ: МПК Е 02 В7/02. Способ создания грунтоармированных конструкций из гибких лент и устройство для его осуществления /Т. П. Кашарина, Д. В. Кашарин. Заявл. 30. 11. 1999; опубл. 20. 04. 2002, Бюл. № 11.

8. Кашарина Т. П. Грунтоармированные конструкции в гидротехническом строительстве // Применение облегченных конструкций гидротехнических сооружений в гидротехническом строительстве : труды / ЮжНИИГиМ. Новочеркасск, 1980. С. 75— 83.

16 декабря 2010 г.

Кашарин Денис Владимирович — канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635) 22-19-93. E-mail: [email protected]

Kasharin Deniz Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Tel. 8(86352) 2-19-93. E-mail: [email protected]