УСТОЙЧИВОСТЬ НИЗОВОГО ОТКОСА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С УЧЕТОМ СЕЗОННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, визначені об'єкт, предмет, мета і завдання дослідження, розкрита його наукова новизна і практичне значення, наведена інформація про апробацію і впровадження результатів дослідження.

У першому розділі, присвяченому сучасному стану питання впливу сезонних кліматичних змін температури довкілля на стійкість низового укосу, виконаний аналіз причин виникнення аварійних ситуацій на ґрунтових гідротехнічних спорудах. Встановлено, що серед основних причин аварій ґрунтових гідротехнічних споруд, у тому числі з руйнуваннями і людськими жертвами, слід відзначити важливу роль негативного впливу фільтрації. За даними різних авторів, таких як: О.А. Гельфер, М.М. Грішин, В.В. Малахов, від 25% до 49% всіх аварій і руйнувань профілю земляних гребель безпосередньо пов'язано з фільтраційними процесами в тілі греблі, в основі і уздовж спрягальних пристроїв. На виняткову важливість фільтраційних розрахунків для забезпечення надійності гідротехнічних споруд вказують В.І. Аравін і О.М. Носова в своїй роботі «Натурні дослідження фільтрації». Наголошується, що фільтраційний чинник при аваріях ґрунтових споруд незмінно присутній в ланцюзі інших чинників, на перший погляд, з фільтрацією не зв'язаних. Також у роботі наведена коротка класифікація найголовніших видів шкідливої дії фільтрації на споруди.

Теорія фільтрації виникла порівняно недавно (друга половина XIX століття). Проте, за досить короткий період, завдяки роботам Ж. Дюпюї, Ф. Форхгеймера, М.Є. Жуковського, М.М. Павловського, П.Я. Полубарінової-Кочиної, був зроблений значний крок вперед в розвитку теорії фільтрації. В основу наукової розробки більшості питань фільтрації був покладений закон опору при фільтрації рідини, встановлений в 1852р. французьким інженером Г. Дарсі. В подальші роки розвиток теорії фільтрації і методів фільтраційного розрахунку ґрунтових підпірних гідротехнічних споруд проходив вельми інтенсивно. Істотний внесок був зроблений  В.І. Аравіним, А.А. Угінчусом, П.Ф. Фільчаковим, М.І. Дружиніним, В.П. Недрігою,              Л.М. Рассказовим, М.М. Веригіним, Є.О. Замаріним, С.М. Нумеровим,                 В.М. Шестаковим і багатьма іншими. Аналіз робіт вказаних авторів дозволяє зробити висновки, що при розрахунках положення кривої депресії не передбачено врахування сезонних змін температури довкілля, проте вказується на вплив температури на величину коефіцієнта фільтрації. На підставі аналізу роботи низки ґрунтових гідротехнічних споруд, був зроблений висновок про те, що фільтраційний режим цих споруд не завжди відповідає прогнозованому. Ця невідповідність може бути спричинена періодичними змінами температури води, що фільтрується, які відбуваються унаслідок сезонних змін температури довкілля. Коливання кривої депресії, екстремальні положення якої виявлялися з періодом, що збігався із зміною пір року, спостерігалися при проведенні обслідницьких робіт, що проводилися співробітниками кафедри гідротехнічних споруд (згодом енергетичного і водогосподарського будівництва) Одеської державної академії будівництва та архітектури на лівобережному примиканні греблі Дністровської ГЕС, піщаній засипці сухого доку Миколаївського судноремонтного заводу «Океан», на ґрунтовій греблі Біляївського гідровузла, розташованого в Одеській області. Про вплив температури води, що фільтрується, на величини п'єзометричних напорів свідчать дослідження О.М. Носовой, В.В. Малаханова, Н.М. Єрмакової, Ф.І. Люкманової,  К.І. Анісімова, В.П. Слободянюка, І.Б. Тішкіна, О.В. Шипілова, О.К. Балаєва,       О.В. Кротовича. Роботами вказаних авторів відзначаються лише фактичні коливання кривої депресії, але математичного обґрунтування такої залежності до теперішнього часу не існувало. До аналогічних висновків приходить і ряд зарубіжних авторів -    О. Каппеделмайєр, С. Йоханссон, К. Гвідо, О. Артьє, Р. Шталман.

Зроблено аналіз основних існуючих теоретичних, лабораторних і натурних методів дослідження фільтраційних властивостей ґрунтів гідротехнічних споруд. Лабораторні методи при визначенні коефіцієнта фільтрації враховують температуру рідини, що фільтрується, і приводять значення коефіцієнта фільтрації до певної температури - 0⁰С або 10⁰С, проте не дають жодних рекомендацій або розрахункових залежностей, які б враховували вплив періодичних змін температури води, що фільтрується, на значення коефіцієнтів фільтрації в різних частинах ґрунтового масиву в різні моменти часу і на положення кривої депресії. Натурні способи визначення швидкостей фільтрації надають можливість отримувати лише фактичні дані про стан фільтраційного потоку, але, зазвичай, не дають можливості прогнозування його подальшої поведінки. Оцінити вплив періодичних температурних коливань води, що фільтрується, в цьому випадку можливо лише за непрямими ознаками. Деякі емпіричні залежності для розрахунку коефіцієнта фільтрації, також як і лабораторні способи, враховують «температурну» поправку, проте не дають вказівок про наслідки коливань температури в тілі ґрунтової греблі, спричинених періодичними (сезонними) температурними змінами довкілля.

Зміни положення кривої депресії, спричинені сезонними змінами температури навколишнього середовища, призводять до змін величини водонасиченої товщі ґрунту тіла греблі. Дія ґрунтових вод на стан зсувного схилу виявляється різними шляхами. Вода, що рухається в порах, крім гідродинамічного тиску, спричиняє зважувальну дію на ґрунти, що складають укіс греблі, змінюючи сили гравітації. Насичуючи ґрунти, вода змінює їх фізико-механічні характеристики і, зокрема, зсувні характеристики, зменшуючи величину опору зрушенню. Крім того, ґрунтові води, змочуючи можливі поверхні ковзання, зменшують сили тертя. При цьому вода, зважуючи ґрунтовий скелет, знижує за рахунок порового тиску нормальні напруження в площині зсуву і може призвести до майже повного зняття внутрішнього тертя в ґрунті.

Наведено основні положення щодо визначення коефіцієнта стійкості низового укосу гребель з місцевих матеріалів і зроблено висновок про те, що відомі методи розрахунку стійкості низового укосу ґрунтової греблі не враховують вплив сезонних змін температури навколишнього середовища. Чітких рекомендацій про те, якими методами слід оцінювати ступінь стійкості схилу, нині в нормативній літературі немає. Розкидані по великій кількості літературних джерел методи розрахунку нерідко вельми суперечливі. Більшість з існуючих методів розрахунку стійкості схилу були розроблені для обчислення коефіцієнта стійкості схилу. Усі розрахункові методи оцінки ступеня стійкості схилів засновані на застосуванні теорії граничної рівноваги, що розглядає гранично напружений стан ґрунтового  масиву. Серед теоретичних способів встановлення небезпечних поверхонь ковзання слід виділити, наприклад, методи Б.М. Ломізе, І.В. Федорова, Г.М. Шахунянца. Також, наголошується, що в СНиП 2.06.05-84* «Плотины из грунтовых материалов» встановлено, що розрахунки стійкості укосів грунтових гребель усіх класів слід виконувати для круглоциліндрічних поверхонь зсуву, а при наявності в тілі греблі або в основі послаблених зон, прошарків ґрунту з більш низькими міцнісними властивостями, при оцінці стійкості екрану або захисного шару, слід виконувати розрахунки для довільних поверхонь ковзання.

Другий розділ має заголовок «Розв’язання задачі поширення температурної хвилі в тілі ґрунтової греблі». У ньому визначені обмеження розв'язуваної задачі. Основний закон фільтрації (закон Дарсі) має межі застосування. Він знаходить цілком задовільне теоретичне пояснення при малих швидкостях фільтрації, тобто, при тих умовах обтікання частинок ґрунту, коли силами інерції можна знехтувати. При підвищенні швидкості руху закон Дарсі порушується через збільшення втрат тиску на ефекти, пов'язані з інерційними силами: утворення вихрів, зон зриву потоку з поверхні частинок, гідравлічний удар. Це так звана верхня межа. Закон Дарсі також порушується і при дуже малих швидкостях фільтрації в процесі початку руху рідини через прояви неньютонівських реологічних властивостей рідини та її взаємодії з твердим скелетом пористого середовища. Це нижня межа. Питаннями кордонів застосовності закону Дарсі займалися М.М. Павловський,  Мазоні, Кребер, Р. Дахлер, Пуазейль, Шиллер, С.В. Ізбаш, Форхгеймер, П.Я. Полубарінова-Кочина, П. Немені, Ліндквіст, В.М. Шестаков, І.Б. Муратов. Наступне обмеження сформульовано у вигляді вимоги про відносну сталість рівнів в б'єфах. Це пов'язано з тим, що в іншому випадку завдання істотно ускладнюється, і отримати аналітичне рішення поширення температурних хвиль не виявляється можливим. Враховуючи значну протяжність шляху фільтрації в ґрунтових спорудах, зауважуючи, що передача температури всередині ґрунтової споруди в основному відбувається за рахунок конвекції (фільтрації) всередині споруди, можна зробити висновок про те, що аналізовані явища будуть виявлятися в значній мірі тільки в водопроникних ґрунтах. У маловодопроникних ґрунтах явище рухомої температурної хвилі в тілі ґрунтової споруди існувати буде, але недостатньо виражено. Формула Хазена (1), на якій засновані подальші висновки і яка показує залежність коефіцієнта фільтрації від температури води, що фільтрується, застосовна для піщаних ґрунтів з деяким вмістом глинистих часток.