Влияние различных факторов на устойчивость земляного откоса плотины
1. Влияние глинистого экрана на устойчивость верхового откоса. Положим, что мы имеем песчаный откос без экрана, запроектированный с необходимым коэффициентом запаса устойчивости. Представим себе, что возникла необходимость покрыть этот откос экраном, выполненным глинистым (а следовательно, малопрочным) грунтом. Очевидно, создавая на рассматриваемом откосе экран, мы должны при этом увеличить пологость данного откоса, с тем чтобы сохранить необходимую величину коэффициента запаса устойчивости этого откоса. Если мы не увеличим пологость рассматриваемого откоса, то произойдет оползание грунта экрана. Сопоставляемые в экономическом отношении варианты сооружения должны характеризоваться одинаковыми коэффициентами запаса устойчивости и прочности. Отсюда ясно, что при сопоставлении двух вариантов откоса в варианте откоса с экраном должен быть более пологий откос. Исключением из этого правила иногда может быть случай, когда в верхнем бьефе плотины в процессе ее эксплуатации периодически происходят быстрые снижения уровня воды [20]. В таких условиях, покрывая песчаный откос глинистым экраном, мы иногда можем сделать его даже более крутым, чем в случае отсутствия экрана. Действительно, при отсутствии экрана после резкого снижения уровня воды в бьефе получаем в теле плотины фильтрационный поток (см. рис. 2.11). Этот поток вынуждает нас значительно уполаживать песчаный откос, не покрытый экраном (см. рис. 2.56); устраивая же экран (см. рис. 2.49), мы, естественно, избавляемся от указанной опасной фильтрации.2. Влияние на устойчивость верхового откоса фильтрационных сил, возникающих в теле плотины при снижении уровня воды в верхнем бьефе. Способ поворота откоса. При снижении уровня воды в верхнем бьефе в теле верхового откоса зарождается неуста новившаяся фильтрация (см. § 2.7). Удельная фильтрационная сила [эту силу в любой точке фильтрационного потока можно установить по величине и направлению, зная линии равного напора рассматриваемого фильтрационного потока и пользуясь формулой (2.4)], будучи геометрически сложена с удельным весом взвешенного грунта уВзв, дает так называемую результирующую удельную силу у0 (см. рис. 2.56), которая практически равна удельному весу взвешенного грунта. Обозначим угол наклона этой силы к вертикали. Эффект фильтрации проявляется здесь в том, что направление сил, действующих на грунт (сил тяжести), изменяется: эти силы оказываются не вертикальными (как в случае сухого грунта), а наклонными— они в связи с фильтрацией поворачиваются на угол 0о от вертикали. Угол 0О, строго говоря, имеет разные величины в различных точках откоса. Однако часто с некоторым приближением этот угол можно осреднить и считать его одинаковым для всех точек области фильтрации. Принимая такое допущение (0o = const) и не считаясь со сравнительно небольшим размером d (рис. 2.56), определяющим область, где силы остаются вертикальными, для расчета можем откос АВ повернуть на угол, при этом получим крутой фиктивный откос АВ, на грунт которого силы действуют уже вертикально. Используя способ поворота откоса [20], видим, что эффект действия фильтрационных сил эквивалентен эффекту увеличения угла 0 наклона откоса к горизонту на угол 0О. Что касается числового значения 0о, то оно зависит от вида фильтрационного потока, линии равного напора которого в любом случае могут быть построены численным интегрированием или по методу электрогидро динамической аналогии; при достаточно быстром снижении уровня воды в бьефе на всю высоту откоса 0О=15...25° обычно же этот угол меньше.
3. Влияние фильтрационных и взвешивающих сил на устойчивость низового откоса. Представим на рис. 2.57 низовой откос плотины, имеющей трубчатый дренаж D. Здесь же покажем возможную поверхность сдвига грунта и штриховкой отметим часть отсека обрушения, которая расположена ниже кривой депрессии, а следовательно, подвержена действию фильтрационных и взвешивающих сил.
4. Влияние на устойчивость откоса поверхностных нагрузок, расположенных в различных его местах. На рис. 2.58 показана поверхность сдвига грунта, описанная радиусом г из центра О. Наметим вертикаль WW, проходящую через центр О. Прилагая к откосу нагрузку левее этой вертикали (сила Ру), будем уменьшать устойчивость откоса; прилагая же нагрузку правее данной вертикали (сила Р2), будем увеличивать устойчивость рассматриваемого отсека обрушения (который стремится, как маятник, повернуться относительно центра О против часовой стрелки). Устраивая берму ab, уменьшаем объем земляных работ и увеличиваем устойчивость откоса АВ. Устойчивость верхней части данного откоса должна после устройства бермы уменьшиться.
5. Влияние на устойчивость откоса каменнонабросного банкета. Устойчивость откоса определяется значениями фд и сд, относящимися к грунту, расположенному вблизи поверхности сдвига, а также значениями у для тела отсека обрушения. Значения фд и сд, относящиеся к грунту, находящемуся внутри отсека обрушения, не оказывают влияния на устойчивость откоса. Если некоторая область тела откоса образована каменной наброской в виде банкета (рис. 2.59), то этот банкет практически не будет увеличивать устойчивость откоса. Поэтому данную каменную наброску нельзя рассматривать как упор для откоса.
6. Влияние глубины воды в бьефе перед откосом на его устойчивость. Представим на рис. 2.60 откос, образованный однородным сыпучим грунтом (с=0). В случае, когда воды перед откосом нет, удельный вес грунта равен уСух; в случае же, когда уровень воды в бьефе стоит на уровне гребня откоса, причем откос оказывается насыщенным покоящейся водой на всю высоту, удельный вес грунта следует считать равным уВзв Ранее отмечалось, что устойчивость откоса, образованного однородным сыпучим грунтом не зависит от удельного веса грунта. Коэффициенты k3 устойчивости откоса при уровне воды в бьефе (1) — (1) и при уровне воды в бьефе (2) — (2) (когда воды в бьефе практически нет) должны быть одинаковы. Будем задаваться различными уровнями воды в бьефе и считать, что каждому такому уровню отвечает своя высота насыщения откоса покоящейся водой. Например, будем считать, что некоторому уровню тп отвечает уровень грунтовых вод тт, причем выше горизонтальной линии тт удельный вес грунта равен усух, а ниже линии тт — уВзв. В последнем случае нижняя часть откоса получается облегченной благодаря взвешиванию. Если на графике (см. рис. 2.60) построить кривую k3—f (h), где h—глубина воды в бьефе, то ясно, что эта кривая должна иметь минимум. Именно этому минимуму и будет отвечать самая опасная глубина воды в бьефе, при которой устойчивость откоса будет наименьшей. Подсчеты показывают [20].
7. Влияние на устойчивость сухого откоса сейсмических сил.
Представим на рис. 2.61 земляной откос и наметим у некоторой точки М этого откоса единицу объема грунта (1 м3). Вес ее равен Ycyx. Во время землетрясения к данной единице объема грунта (так же как и ко всем другим слагающим откос) будет приложена некоторая сила инерции. Считают, что эта сила инерции горизонтальна и направлена наружу откоса; эту силу принимают пропорциональной плотности и, следовательно, удельному весу грунта ус = RcYcyx, где Rc — коэффициент пропорциональности, величина которого принимается в зависимости от балльности землетрясения, установленной для района строительства плотины, конструкции и материала плотины, грунта основания и т. п.
Складывая (геометрически) две силы, действующие на единицу объема грунта, получают результирующую силу (см. рис. 2.61), которая оказывается наклоненной к вертикали под углом 0С. Так как у0 мало отличается от уСух, то уо~Усух
Эффект землетрясения заключается в том, что удельные силы, действующие на грунт во время землетрясения, оказываются не вертикальными, а наклоненными к вертикали под углом 0С в разных точках откоса. Положим при расчете устойчивости откоса с учетом сейсмических сил, что 0С постоянно и равно некоторому среднему его значению, и воспользуемся способом поворота откоса (см. рис. 2.56, только откос поворачиваем на угол 0С). Угол 0С зависит от осредненного коэффициента kc.
Подсчеты показывают, что в некоторых случаях в результате учета сейсмических сил коэффициент запаса устойчивости откоса может снизиться на 10...20 % и более.