ВЛИЯНИЕ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА УСТОЙЧИВОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН

Варламова Т.В.¹, Гамаюнов В.П.²

¹Кандидат технических наук, доцент, Саратовский государственный технический университет; ²кандидат технических наук,

профессор, Саратовский государственный аграрный университет

ВЛИЯНИЕ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА УСТОЙЧИВОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ НИЗКОНАПОРНЫХ ПЛОТИН

Аннотация

Объектом исследования является переливная плотина Саратовского оросительно-обводнительного канала. В статье проанализировано действие ледовых нагрузок на гребень плотины. Выполнена проверка устойчивости железобетонного крепления гребня и парапетного ограждения. Установлены причины разрушения конструкций плотины при прохождении паводка.

Ключевые слова: переливная плотина, крепление гребня, ледовые нагрузки, устойчивость.

Varlamova T.V.¹, Gamayunov V.P.²

¹Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Saratov State Technical University; ²Candidate of Technical Sciences, Professor, Saratov State Agrarian University

THE INFLUENCE OF ICE LOADS ON THE STABILITY OF STRUCTURES OF LOW HEAD DAMS

Abstract

The object of the study is the overflow dam of  Saratov irrigation canal. The ice loads acting to the coping have been examined.  The  stability of pavement and parapet wall has been controlled.   Reasons of pavement destruction due to flood have been ascertain.

Keywords: overflow dam, pavement, ice loads, stability.

Для улучшения транспортного обслуживания сельских населенных пунктов широко практикуется проложение автомобильных дорог IV-V технических категорий по гребням грунтовых плотин, возводимых для поддержания необходимого уровня воды и регулирования стока малых рек. Техническая эксплуатация автомобильной дороги, проходящей по гребню грунтовой плотны, имеет характерные особенности. Деформации земляного полотна таких дорог обусловлены физико-химическими, механическими и реологическими свойствами грунтов тела плотины, их фильтрационной прочностью, а также наличием и характером работы водопропускных сооружений. Наличие в теле грунтовой плотины капитальных водосбросных сооружений большой пропускной способности значительно увеличивает стоимость и продолжительность строительства, а также усложняет эксплуатацию комплекса гидротехнических сооружений.

В настоящее время надежным, экономичным и технологичным решением стали переливные грунтовые плотины, позволяющие осуществлять пропуск основного паводкового расхода в нижний бьеф непосредственно через укрепленный гребень плотины [1]. После прохождения пика паводка гребень переливной плотины служит для проезда транспорта, являясь укрепленной проезжей частью автомобильной дороги. Безопасная эксплуатация дороги, проходящей по гребню переливной плотины, во многом определяется качеством защитного крепления откосов и гребня. При прохождении паводка элементы крепления подвергаются действию ледовых нагрузок и гидродинамическим воздействиям; в то же время грунт тела плотины частично переходит в водонасыщенное состояние при фильтрации воды через неплотности облицовки. Для обеспечения прочности и водонепроницаемости гребень и откосы плотины укрепляются, как правило, монолитным железобетоном. Однако несмотря на высокие прочностные показатели железобетонного крепления, совместное действие перечисленных нагрузок способно вызвать его разрушение, приводящее к размыву тела плотины и нарушению автомобильного движения.

Во время ледохода на реке Малый Узень весной 2010 года произошло частичное разрушение железобетонного крепления гребня, верхового и низового откосов и размыв тела переливной плотины Саратовского оросительно-обводнительного канала [2]. Прямые затраты от ущерба составили 8,96 млн. рублей [3].

Высота переливной плотины на реке Малый Узень составляет 6,95 м; проезжий гребень плотины имеет длину 60 м, ширину 4,5 м. Крепление гребня предусмотрено железобетонной плитой толщиной 0,4 м. Верховой и низовой откосы насыпи имеют одинаковое заложение 1:3 и укреплены монолитными железобетонными плитами. В нижнем бьефе водотока имеется железобетонная водобойная плита шириной 30 м, имеющая переменную толщину от 0,6 до 0,15 м, выполненная по щебеночной подготовке толщиной 0,15 м. Плотина оборудована водовыпускным сооружением с пропускной способностью Q = 5 м³/с.

При проведенной ранее реконструкции на переливной части гребня плотины вдоль бровки со стороны верхнего бьефа была устроена не предусмотренная первоначальным проектом железобетонная парапетная стенка высотой 0,3 м, предназначенная для защиты проезжей части от воды при ветровом нагоне.

В период ледохода на элементы гидротехнических сооружений действуют ледовые нагрузки, предусмотренные СП 38.13330.2012 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения» [4]. Согласно данным ОАО ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева [5],  толщина льда на р. Малый Узень может достигать 90 см, часто случаются заторы льда. По сообщениям саратовского гидрометцентра, в 2010 году толщина льда на малых реках области к периоду ледохода достигала 83 см. Таким образом, во время ледохода в 2010 году на вновь возведенный парапет действовали интенсивные горизонтальные нагрузки от движущихся ледяных полей.

Согласно [4], горизонтальная нагрузка от воздействия ледяного поля на секцию парапета составляет:

F_c,w = 0,07n×h_d (А· k_n· R_c)^1/2 = 0,07×0,9×0,8×(30²·0,5·3,2)^1/2 = 1,91МН,            (1)

где n - скорость движения ледяного поля, принятая равной 3% от скорости ветра 1% обеспеченности, м/с; h_d – толщина льда, принятая равной 0,8 м; A – максимальная площадь ледяного поля, м²; k_n - коэффициент, составляющий 0,5 при e = n/4b = 0,9/4×30 = 7,5×10^-3 с^-1; b – ширина секции парапета, равная 30 м; R_c – предел прочности льда при сжатии, равный 3,2 МПа.

Нормативная нагрузка F_c,w, вычисленная по формуле (1), не превышает максимальной горизонтальной силы воздействия ледяного поля на опору с передней гранью в виде прямоугольника [4]:

F_b,p= m·k_bk_nR_ch_d = 1×1,5×0,5×3,2×0,8 = 1,92 МН,      (2)

здесь m, k_b, k_n - коэффициенты, для опоры с передней гранью в виде прямоугольника при отношении b/h_d = 30/0,8 = 37,5 принимается m = 1, k = 0,4, k_b = 1,5.

Согласно нормам проектирования [4], точку приложения равнодействующей горизонтальной силы от  ледовой нагрузки в период ледохода следует принимать на величину 0,4h_d, т.е. на 0,32 м ниже расчетного уровня воды. При высоте парапета h = 0,3 м и толщине льда h_d = 0,8 м равнодействующая горизонтальной силы оказывается приложена посередине высоты парапета. Таким образом, плечо приложения горизонтальной силы составляет х = 0,15 м; при этом момент силы F_d составит:

M_Fd = F_d×x = 1,92×0,15 = 0,285 МНм.     (3)

В то же время парапет, возведенный при реконструкции плотины, со стороны верхнего бьефа имел вертикальную стенку, сопряженную с верховым откосом плотины, имеющим заложение 1:3. При таком конструктивном решении дальнейшее движение ледяного поля сопровождается его надвижкой на наклонный верховой откос плотины, деформацией льда в вертикальном направлении и движением вверх до верхней кромки парапета. При этом на парапетную стенку действует дополнительная нагрузка от силы трения, направленная вверх:

F_тр = f· F_d = 0,11·1,92 = 0,21 МН,      (4)

где f – коэффициент трения льда по бетону.

Момент силы трения относительно противоположной парапету кромки проезжей части при ширине гребня b_гр = 4,5 м составляет:

M_Fтр = F_тр· b_гр = 0,21·4,5 = 0,95 МНм.      (5)

Величина момента M_Fтр силы трения, действующей на конструкцию снизу вверх при надвижке льда на откос, значительно превышает предусмотренный нормами проектирования [4] момент M_Fd горизонтальной силы от воздействия ледяного поля.

При действии на парапет, жестко сопряженный с железобетонным покрытием гребня, моментов M_Fтр и M_Fd, возможна потеря устойчивости конструкций в результате опрокидывания относительно противоположной кромки гребня.

Усилием, удерживающим парапетную стенку и покрытие гребня от опрокидывания, служит момент сил тяжести парапета и покрытия. При реальных размерах конструкций сила тяжести, действующая на парапет, составляет приблизительно G_пар = 0,003 МН, на покрытие G_покр = 0,045 МН; в этом случае удерживающий момент равен:

M_уд =  G_пар·х_пар + G_покр·х_покр = 0,003·4,3 + 0,045·2,25 = 0,114 МНм,            (6)

где G_пар – сила тяжести, действующая на парапет, МН; х_пар – расстояние от продольной оси парапета до противоположной кромки проезжей части, м; G_покр – сила тяжести, действующая на покрытие гребня, МН; х_покр – расстояние от оси гребня до кромки гребня плотины, м.

Выполненные расчеты показывают, что в результате устройства вертикального парапета опрокидывающий момент от воздействия движущегося ледяного поля M_Fd = 0,285 МНм и от вертикальной нагрузки при надвижке льда на откос M_Fтр = 0,95 МНм значительно превышают удерживающий момент M_уд = 0,114 МНм, т.е. устойчивость конструкций покрытия с парапетной стенкой против опрокидывания не обеспечена.

Таким образом, не предусмотренное проектом изменение конструкции проезжей части гребня, вероятно, привело к потере устойчивости железобетонной плиты покрытия в результате действия ледовых нагрузок и к проникновению воды под облицовку плотины, а гидродинамические воздействия при прохождении паводка вызвали механическую суффозию грунта и дальнейшее разрушение железобетонного крепления откосов и покрытия гребня плотины.

Для обеспечения устойчивости конструкций гребня переливной плотины рекомендовано восстановление первоначального плавного поперечного профиля плотины с соблюдением заложения откосов не менее 1:3 и креплением откосов и гребня монолитными железобетонными плитами [7].

Литература

1. Бальзанников, М.И. Совершенствование конструкций низконапорных грунтовых переливных плотин./ М.И. Бальзанников, С.А. Пиявский, М.В. Родионов. Известия вузов. Строительство. Научно-теоретический журнал. – Новосибирск, НГАСУ. - 2012. - № 5.– с. 52-59.
2. Варламова, Т.В. К вопросу устойчивости грунтовых плотин при действии ледовых нагрузок./Варламова Т.В., Гамаюнов В.П., Есин А.И., Голик К.С.// Аграрная наука XXI веке: проблемы и перспективы: Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции/ Под редакцией И.Л. Воротникова. – Саратов, 2014. – с. 96-98.
3. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 3 июня 2011 г. № 278 “Об утверждении Годового отчета о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2010 году”.
4. СП 38.13330.2012. Свод правил. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов): Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*./ Утв. приказом Минрегион России от 29.12.2011. Дата введ. 01.01.2013. – М., 2012.
5. Разработка проекта правил использования Малоузенского водохранилища. Этап 4 «Разработка проекта ПИВР» / Пояснительная записка к проекту правил использования водных ресурсов // ОАО ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева. – Санкт-Петербург, 2013 г.
6. Гамаюнов, В.П. К вопросу повышения эксплуатационной надежности зданий на просадочных грунтах. /В.П. Гамаюнов, Т.В. Варламова// Международный научно-исследовательский журнал ISSN 2227–6017. – 2014. - № 2(21), часть 1. – с. 85-87.
7. Гамаюнов, В.П. Повышение надежности железобетонных конструкций аэротенков./ В.П. Гамаюнов, А.И. Есин, Т.В. Варламова, Т.И. Болуто// Научное обозрение. – 2014. - № 3. – с. 86-89.

References

1. Bal'zannikov, M.I. Sovershenstvovanie konstrukcij nizkonapornyh gruntovyh perelivnyh plotin./ M.I. Bal'zannikov, S.A. Pijavskij, M.V. Rodionov. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. Nauchno-teoreticheskij zhurnal. – Novosibirsk, NGASU. - 2012. - № 5.– s. 52-59.
2. Varlamova, T.V. K voprosu ustojchivosti gruntovyh plotin pri dejstvii ledovyh nagruzok./Varlamova T.V., Gamajunov V.P., Esin A.I., Golik K.S.// Agrarnaja nauka XXI veke: problemy i perspektivy: Materialy VIII Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii/ Pod redakciej I.L. Vorotnikova. – Saratov, 2014. – s. 96-98.
3. Prikaz Federal'noj sluzhby po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 3 ijunja 2011 g. № 278 “Ob utverzhdenii Godovogo otcheta o dejatel'nosti Federal'noj sluzhby po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru v 2010 godu”.
4. SP 38.13330.2012. Svod pravil. Nagruzki i vozdejstvija na gidrotehnicheskie sooruzhenija (volnovye, ledovye i ot sudov): Aktualizirovannaja redakcija SNiP 2.06.04-82*./ Utv. prikazom Minregion Rossii ot 29.12.2011. Data vved. 01.01.2013. – M., 2012.
5. Razrabotka proekta pravil ispol'zovanija Malouzenskogo vodohranilishha. Jetap 4 «Razrabotka proekta PIVR» / Pojasnitel'naja zapiska k proektu pravil ispol'zovanija vodnyh resursov // OAO VNII gidrotehniki im. B.E. Vedeneeva. – Sankt-Peterburg, 2013 g.
6. Gamajunov, V.P. K voprosu povyshenija jekspluatacionnoj nadezhnosti zdanij na prosadochnyh gruntah. /V.P. Gamajunov, T.V. Varlamova// Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal ISSN 2227–6017. – 2014. - № 2(21), chast' 1. – s. 85-87.
7. Gamajunov, V.P. Povyshenie nadezhnosti zhelezobetonnyh konstrukcij ajerotenkov./ V.P. Gamajunov, A.I. Esin, T.V. Varlamova, T.I. Boluto// Nauchnoe obozrenie. – 2014. - № 3. – s. 86-89.