СНиП 2.06.05-84 Плотины из грунтовых материалов - 5. Основные положения расчета плотин

5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ПЛОТИН

5.1*. При проектировании плотин I и II классов из грунтовых материалов необходимо выполнять следующие основные расчеты:

а) фильтрационные (пп. 5.3 и 5.4*);

б) фильтрационной прочности (п. 5.5*);

в) обратных фильтров, дренажей и переходных слоев (пп. 5.6 - 5.9);

г) устойчивости откосов, экрана и защитного слоя (пп. 5.10* - 5.13*);

д) напряжений и деформаций (пп. 5.14* и 5.15*);

е) осадок тела плотины и основания (пп. 5.16* и 5.17*);

ж) горизонтальных смещений (п. 5.19*);

з) креплений откосов на прочность от действия волн, льда и др. (п. 5.21).

Кроме того, дополнительно следует выполнять: для неоднородных земляных намывных плотин расчеты фракционирования грунта и устойчивости боковых призм (пп. 3.13, 3,14* 3.17,5,12*), расчеты консолидации и перового давления п. 5.18);

для земляных насыпных и каменно-земляных плотин, у которых тело, ядро, экран или основание сложены из глинистых грунтов, - расчеты порового давления при их консолидации и проверку трещиностойкости (пп. 5.18, 5.22*); для каменно-земляных плотин с ядром, кроме того, - проверку устойчивости на сдвиг низовой призмы плотины.

Для плотин III и IV классов следует ограничиться расчетами, указанными в подпунктах "а" - "г", "е", "з".

Расчеты следует производить для всех характерных поперечных сечений плотин.

При проектировании плотин из грунтовых материалов в северной строительно-климатической зоне необходимо дополнительно к указанным расчетам произвести расчеты температурного режима тела и основания плотины, ложа и бортов водохранилища и русла в нижнем бьефе плотины в ходе ее строительства и эксплуатации (п. 5.23*).

5.2*. Расчеты плотин во всех случаях следует выполнять для основных и особых сочетаний нагрузок в эксплуатационный период работы плотин и для сочетаний нагрузок в период их возведения (строительный период).

Расчеты плотин, возводимых в сейсмических районах, следует выполнять согласно требованиям СНиП II-7-81*.

5.3. Фильтрационные расчеты тела плотины, основания и берегов следует выполнять для:

а) определения фильтрационной прочности тела плотины, ее основания и берегов;

б) расчета устойчивости откосов плотины и берегов;

в) обоснования наиболее рациональных и экономичных форм, размеров и конструкций плотины, ее противофильтрационных и дренажных устройств.

При выполнении фильтрационных расчетов следует учитывать кольматаж ложа водохранилища и верхового откоса плотины при его развитии во времени.

5.4*. Фильтрационными расчетами (а также исследованиями) надлежит определять следующие параметры фильтрационного потока:

а) положение поверхности фильтрационного потока (депрессионной поверхности) в теле плотины и берегах:

б) фильтрационный расход воды через тело плотины, основание и берега;

в) напоры (или градиенты напора) фильтрационного потока в теле плотины, основании, а также в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, в нижний бьеф за подошвой низового откоса, в местах контакта грунтов с различными характеристиками и на границах противофильтрационных устройств (черт. 9).

Черт. 9. Фильтрационные деформации в земляных и каменно-земляных плотинах и их основаниях

а - однородная плотина на слоистом основании; б - каменно-земляная плотина на скальном основании; А,Б - сопряжение несвязного и связного грунтов оснований; В - область местного выпора грунта в случае выхода потока на откос; J_e,max - расчетный (максимальный) градиент напора в зоне высачивания потока на уровне воды нижнего бьефа; a - угол наклона низового откоса ядра к горизонту; J_p, J_c, J_u, J_i, J_run - градиенты напора соответственно суффозии, контактного размыва, выпора, входа фильтрационного потока в дренаж, пульсации в обратном фильтре от наката и спада волн

При неоднородном или анизотропном геологическом строении основания указанные в настоящем пункте параметры фильтрационного потока следует определять с учетом этих особенностей.

При выполнении фильтрационных расчетов талых плотин из грунтовых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне, указанные параметры фильтрационного потока следует определять с учетом изменения границ зон мерзлых грунтов в теле и основании плотины в ходе ее строительства и эксплуатации.

5.5*. Фильтрационную прочность тела плотины, а также противофильтрационных устройств оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов при действующих в сооружении градиентах напора с учетом напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, особенностей конструкции, методов возведения и условий эксплуатации.

Расчеты фильтрационной прочности надлежит выполнять исходя из наибольшего напора, действующего на плотину.

При оценке фильтрационной прочности необходимо выполнить условие

J_est,m £                                         (5)

где J_est,m ‑ действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации;

J_cr,m - критический средний градиент напора, принимаемый на основании исследований грунтов в условиях, отвечающих реальным условиям эксплуатации сооружения. В предварительных расчетах и при отсутствии необходимых исследований значения J_cr,m могут быть приняты в соответствии с имеющимися аналогами или по табл. 8;

g_n - коэффициент надежности по ответственности сооружений, определяемый по СНиП 2.06.01-86.

Таблица 8

Примечание. Проверку фильтрационной прочности тела или призмы плотины из грунтовых материалов выполняют для поперечного профиля, назначенного исходя из расчетов устойчивости откосов.

В результате проверки фильтрационной прочности уточняют конструкцию плотины, в частности местоположение дренажа.

Значения критического среднего градиента принимают в зависимости от физико-механических свойств грунта и способа его укладки, причем большие значения J_cr,m назначают для более плотного грунта.

5.6. При проектировании обратных фильтров, дренажей и переходных слоев надлежит:

а) устанавливать расчетные параметры (зерновой состав, плотность, пористость, коэффициент фильтрации и пр.) грунтов, защищаемых обратными фильтрами, оценивать их суффозионную прочность (суффозионность) и определять расчетные размеры сводообразующих частиц и диаметр пор (d_a и d_a,max) защищаемого грунта в зависимости от его состава и условий фильтрационного потока,

б) выбирать естественные карьерные грунты или искусственно получаемые (щебеночные, гранулированный шлак и др.), которые могут быть использованы для устройства обратных фильтров;

в) подбирать зерновой состав первого слоя обратного фильтра и последующих слоев (если в этом есть необходимость) из выбранных естественных карьерных или искусственных материалов;

г) проверять суффозионную прочность и устойчивость грунтов, защищаемых обратным фильтром, и грунтов обратных фильтров;

д) устанавливать толщину и число слоев обратных фильтров;

е) устанавливать допустимые пределы отступлений в зерновом составе, толщине слоев и плотности грунтов фильтра при их укладке в дренажи или переходные слои.

5.7. Для обратных фильтров, дренажей и переходных слоев допускаемый коэффициент разнозернистости фильтровых материалов k_60,10 должен удовлетворять условиям:

а) если защищаемый грунт несуффозионный сыпучий,

k_60,10 £ (20 - 25),

где меньшее значение следует принимать для скатанных частиц песчаных и гравийных грунтов, а большее - для щебенистых грунтов фильтра;

б) если защищаемый грунт суффозионный сыпучий,

k_60,10 £ 15

в) если защищаемый грунт глинистый с числом пластичности I_p ³ 0,07 (допускается при обосновании I_p ³ 0,05),

k_60,10 £ 50

Формулу k_60,10 £ 50 следует принимать как для обратных фильтров дренажей, так и для переходных слоев плотин.

При толщине переходного слоя плотин более 3 м величина k_60,10 может быть принята более 50 (при соответствующем обосновании);

г) для фильтров, устраиваемых из пористого бетона,

k_60,10 £ 12;

д) для фильтров, выполняемых отсыпкой материалов в воду,

k_60,10 £ 10.

Здесь

k_60,10 = d₆₀ : d₁₀                                                              (6)

где d₆₀ ,d₁₀  - размеры фракций грунта, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет соответственно 60 и 10% массы всего грунта.

Для фильтров, выполняемых из материалов с k_60,10 £ 10, толщину слоев назначают согласно указаниям п. 2.70, а для фильтров, выполняемых из материалов k_60,10 > 10, толщину слоев необходимо назначать по результатам опытных отсыпок с учетом сегрегации фильтровых материалов, возникающей при транспортировании, отсыпке и разравнивании слоев фильтра.

5.8. Отказ от устройства обратных фильтров или переходных слоев для противофильтрационных призм, укладываемых по насыпи крупнообломочных грунтов, допускается при наличии соответствующего обоснования.

5.9. Вместо грунтовых обратных фильтров допускается предусматривать при соответствующем обосновании обратные фильтры из пористого бетона и других пористых материалов.

5.10* Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин всех классов следует выполнять для круглоцилиндрических поверхностей сдвига. При наличии в основании или теле сооружения ослабленных зон, прослоек грунта с более низкими прочностными свойствами, при оценке устойчивости экрана или защитного слоя и т.д. следует выполнять расчеты для произвольных поверхностей сдвига.

При расчетах следует использовать методы, удовлетворяющие условиям равновесия призмы обрушения и ее элементов в предельном состоянии и учитывающие напряженное состояние сооружения и его основания. Применительно к конкретным геологическим условиям и конструкции плотины могут быть использованы при соответствующем обосновании проверенные практикой упрощенные методы расчета. При однородных характеристиках грунта и отсутствии фильтрационных сил можно пользоваться методами, предполагающими монолитную призму обрушения. В тех же условиях при плоской поверхности откоса и несвязном грунте достаточно оценивать устойчивость малого объема (частицы) грунта на его поверхности сопоставлением коэффициента внутреннего трения материала с крутизной откоса. Для расчета устойчивости откосов плотин I и II классов может быть применен метод, приведенный а рекомендуемом приложении 5*.

При расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин всех классов, возводимых в северной строительно-климатической зоне, используя методы, удовлетворяющие условиям равновесия призмы обрушения и ее элементов в предельном состоянии, следует учитывать как напряженное, так и температурное состояние грунтов плотины и ее основания.

5.11 *. Устойчивость откоса плотины должна быть проверена по возможным поверхностям сдвига с нахождением наиболее опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам.

Критерием устойчивости откосов плотины является соблюдение (для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства

                                        (7)

где F - расчетное значение обобщенного силового воздействия, определяемое с учетом коэффициента надежности по нагрузке g_f (в зависимости от метода расчета устойчивости откосов F - равнодействующая активных сил или моментов этих сил относительно оси поверхности сдвига);

R - расчетное значение обобщенной несущей способности системы «сооружение - основание», определяемое с учетом коэффициента безопасности по грунту g_g, т.е. обобщенное расчетное значение сил предельного сопротивления сдвигу по рассматриваемой поверхности;

g_f , g_n, g_fc ‑ коэффициенты надежности по нагрузке, ответственности сооружения, сочетания нагрузок, определяемые по СНиП 2.06.01-86;

g_g - коэффициент надежности по грунту, определяемый по СНиП 2.02.02-85;

g_c - коэффициент условий работы.

При поиске опасной поверхности сдвига может быть использована зависимость для коэффициента устойчивости k_s

                                                                                (8)

Полученные расчетом значения коэффициента устойчивости при соответствующем сочетании нагрузок не должны превышать величины  более чем на 10 %, если это не обусловлено особенностями сооружения.

Числовые значения коэффициентов g_n , g_c и g_fc приведены в табл. 9 - 11.

Таблица 9

Таблица 10

Таблица 11

5.12*. При расчетах устойчивости откосов плотин необходимо рассматривать следующие случаи.

Для низового откоса:

а) первый расчетный случай (основной): а верхнем бьефе - нормальный подпорный уровень (НПУ), в теле плотины - установившаяся фильтрация; при наличии воды в нижнем бьефе глубину ее принимают максимально возможной при НПУ, но не более 0,2h_i, где h_i - высота откоса;

б) второй расчетный случай (основной) при открытых водосбросах (без затворов): подпорный уровень и уровень нижнего бьефа определяются максимальным расходом, относимым к основным сочетаниям нагрузок и воздействий;

а) третий расчетный случай (особый): в верхнем бьефе - форсированный подпорный уровень воды (ФПУ), в нижнем бьефе глубину воды принимают максимальной, соответствующей ФПУ.

Для верхового откоса:

а) первый расчетный случай (основной): максимальное возможное снижение уровня воды в водохранилище от НПУ или от подпорного уровня, соответствующего пропуску максимального расхода, относимого к основным сочетаниям воздействий, с наибольшей возможной скоростью, при этом учитывают фильтрационные силы неу-становившейся фильтрации;

б) второй расчетный случай (строительного периода): уровень воды в верхнем бьефе находится на самой низкой отметке, но не ниже 0,2h_i, где - h_i - высота откоса; уровень грунтовой воды в теле плотины принимают соответствующим установившемуся;

в) третий расчетный случай (особый): максимальное возможное снижение уровня воды в водохранилище от ФПУ с наибольшей возможной скоростью, при этом учитывают фильтрационные силы неустановившейся фильтрации.

Примечания: 1. Для земляных плотин с волногасящими откосами следует производить расчет устойчивости с учетом волнового воздействия (согласно рекомендуемому приложению 6*).

2. При расчете устойчивости откосов земляных намывных плотин необходимо учитывать фильтрацию из прудка при проектируемом его положении в период намыва плотины и насыщение водой грунтов откосов (расчетный случай строительного периода).

3. При расчете устойчивости откосов плотин в сейсмических районах сейсмические воздействия учитывают согласно СНиП II-7-81*.

Устойчивость верхового откоса плотины в условиях сейсмического воздействия следует проверять как для случая быстрого снижения уровня воды в водохранилище от МПУ до наиболее низкого эксплуатационного уровня, так и для случая продолжительного стояния НПУ (или ПУ, соответствующего пропуску расхода, относимого к основным воздействиям).

4. Если консолидация связных грунтов плотины и ее основания не завершается к моменту окончания строительства, в расчетах устойчивости откосов следует учитывать поровое давление как для строительного, так и для эксплуатационного случаев.

5. Для плотин с грунтовым экраном следует рассчитывать устойчивость экрана на откосе плотины и устойчивость крепления на экране. Для участков поверхности сдвига на контакте экрана и плотины или крепления экрана прочностные характеристики принимают для грунта экрана.

6. Расчет устойчивости боковых призм земляных намывных плотин с ядром из глинистого грунта надлежит выполнять с учетом порового давления в период консолидации ядра (расчетный случай строительного периода).

5.13 * При расчете устойчивости откосов плотин прочностные характеристики грунтов тела плотин III и IV классов следует принимать постоянными, а плотин I и II классов - переменными в зависимости от напряженного и температурного состояния грунта в зоне прохождения поверхности сдвига.

5.14*. Напряженно-деформированное и температурное состояния тела плотины из грунтовых материалов и ее основания следует учитывать в расчетах устойчивости откосов плотины, фильтрационной прочности на контакте водоупорных элементов с основанием, проверки трещиностойкости водоупорных элементов, прочности негрунтовых противофильтрационных устройств, анализа поведения плотины при проведении натурных исследований, а также для подбора материалов плотины.

5.15*. В расчетах напряженно-деформированного состояния плотин I и II классов следует, как правило, применять нелинейные модели, учитывающие пластические деформации грунта в предельном состоянии, при условии определения параметров деформирования испытанием образцов грунта в одометрах и стабилометрах. При этом размеры образцов должны отвечать зерновому составу грунта тела плотины и основания. Для крупнозернистого грунта допускается использовать модельный грунт, в расчетах необходимо учитывать поэтапность возведения плотины, скорость заполнения водохранилища, а для плотин, возводимых в северной строительно-климатической зоне, последовательность промораживания и оттаивания тела и основания плотины.

Для плотин III и IV классов допускается производить расчеты по модели линейно-деформированного тела.

5.16*. Расчет осадок тела и основания плотины следует производить для определения требуемого строительного подъема плотины, а также для уточнения объема работ по сооружению плотины. Для намывных плотин строительный подъем определяют согласно требованиям настоящего пункта и пп.5.17*, 5.18 независимо от запаса грунта на уплотнение в теле сооружения в процессе намыва, устанавливаемого в соответствии с требованиями СНиП 3.02.01-87.

Расчет осадок плотины следует производить в каждом характерном ее поперечном сечении по нескольким вертикалям, проходящим в элементах плотины из различных материалов (ядре, экране, призме и т.д.).

При расчете осадок основания и тела плотины следует соблюдать требования СНиП 2.02.02-85 и СНиП 2.02.04-88.

5.17*. Для плотин I и II классов расчет осадок и их изменения во времени следует производить на основании результатов экспериментальных исследований сжимаемости грунтов с учетом напряженно-деформированного состояния плотин Поровое давление, ползучесть грунта, его просадочность и набухание при повышении влажности в период эксплуатации необходимо учитывать в зависимости от их наличия.

Напряженно-деформированное состояние плотин, возводимых в северной строительно-климатической зоне, следует определять с учетом температурного режима грунтов плотины и ее основания.

Для плотин III и IV классов допускается производить расчет осадок по приближенным зависимостям с использованием значений модулей деформаций по СНиП 2.02.02-85.

5.18. Поровое давление следует учитывать в расчетах в случаях, когда максимальное значение коэффициента порового давления r_u,max определяемое отношением порового давления u к максимальному значению приложенного напряжения s, превышает нормативное значение коэффициента порового давления r_un = 0,1.

Величину r_u,max следует определять по формуле

r_u,max = r_uc r_uo                                                  (9)

используя известные значения r_uc - коэффициента порового давления, определяемого по схеме закрытой системы (без учета оттока воды из грунта), и r_uo - коэффициента порового давления, определяемого по схеме открытой системы (с учетом оттока воды из грунта).

Величины r_uc и r_uo следует устанавливать по графикам рекомендуемого приложения 1.

5.19* Горизонтальные смещения плотин определяют путем расчета напряженно-деформированного состояния с учетом изменения сжимаемости грунтов при повышении их влажности, а в северной строительно-климатической зоне - при изменении их температурно-влажностного состояния.

Для плотин II ‑ IV классов допускается оценивать горизонтальные смещения на основе аналогов плотин, построенных в подобных условиях и такой же конструкции. Для предварительных оценок горизонтальных смещений гребня плотины следует принимать их равными осадке гребня после наполнения водохранилища.

5.20* При проектировании плотин с экраном или ядром (диафрагмой) необходимо учитывать деформации береговых склонов.

В плотинах с негрунтовыми экранами и диафрагмами надлежит рассчитывать продольные и поперечные смещения экранов и диафрагм. Напряженно-деформированное состояние диафрагмы (экрана) следует рассчитывать с учетом трения грунта по поверхности диафрагмы (экрана), схем опирания устройства на основание и разрезки деформационными швами.

5.21. Плиты крепления откосов плотин следует проверять на прочность от воздействия давления волн и льда в соответствии с требованиями СНиП 2.06.04-82*.

5.22* Трещиностойкость земляных плотин и водоупорных элементов каменно-земляных плотин следует определять путем расчета их напряженно-деформированного состояния. При этом следует учитывать поровое давление, а для плотин I и II классов - изменение сжимаемости и ползучести в соответствии со свойствами грунтов, слагающих тело плотины и основания. В северной строительно-климатической зоне расчет напряженно-деформированного состояния плотины необходимо выполнять с учетом изменения ее тем-пературно-влажностного состояния в ходе строительства.

5.23 *. При проектировании плотин из грунтовых материалов, возводимых в северной строительно-климатической зоне, следует выполнять:

для талых плотин - расчеты температурного режима в ходе строительства и эксплуатации с определением положения границ зон талых и мерзлых грунтов, в теле, основании и береговых примыканиях плотины на любой задаваемый период до установления квазистационарного температурного состояния плотины;

для мерзлых плотин с мерзлотными завесами в теле и основании - расчеты толщины мерзлотной завесы, образующейся вокруг линейной системы СОУ или замораживающих колонок за первый и последующие сезоны работы СОУ;

для талых и мерзлых плотин - расчеты температурного режима ложа и бортов водохранилища и русла в нижнем бьефе вблизи плотины на период до установления квазистационарного состояния.