SEISMIC STABILITY OF SLOPES OF DAM AND LEVEE IN BAKHCHISARAI RESERVOIR IN CRIMEA

СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ОТКОСОВ ПЛОТИНЫ И ДАМБЫ БАХЧИСАРАЙСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В КРЫМУ

Научная статья

Волосухин Я.В.

Инженерный консалтинговый центр «Безопасность гидротехнических сооружений», Новочеркасск, Россия

* Корреспондирующий автор (kipkeeva62[at]mail.ru)

Аннотация

Крым относится к сейсмоопасной зоне, здесь неоднократно наблюдалась сейсмическая активность, сопровождающаяся сильнейшими разрушениями. Многие из гидротехнических сооружений мелиоративного назначения требуют реконструкции или ремонта. Бахчисарайское водохранилище – одно из старейших на полуострове и функционирует уже более 90 лет, поэтому задача исследования состояния водоема является актуальной. В статье показан автоматизированный численный расчет устойчивости откосов плотины и дамбы Бахчисарайского водохранилища по программе «Расчет устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения» с учетом кривой депрессии в теле сооружений для основного и особого случая нагрузок, а также с учетом сейсмичности района расположения ГТС. Даны рекомендации по укреплению откосов плотины и дамбы.

Ключевые слова: плотина, земляные откосы, дамба, водохранилище, сейсмоустойчивость, безопасность.

SEISMIC STABILITY OF SLOPES OF DAM AND LEVEE IN BAKHCHISARAI RESERVOIR IN CRIMEA

Research article

Volosukhin Ya.V.

Engineering consulting center "Safety of hydraulic structures", Novocherkassk, Russia

* Corresponding author (kipkeeva62[at]mail.ru)

Abstract

Crimea belongs to an earthquake zone, seismic activity has been repeatedly observed here, accompanied by severe damage. Many of the hydrotechnical facilities constructed for reclamation purposes on the peninsula require reconstruction or repair. The Bakhchisaray reservoir is one of the oldest on the peninsula and has been functioning for more than 90 years, thus the problem of studying the condition of the reservoir is a relevant one. The paper presents the automated numerical calculation of the stability of slopes of the dam and levee of the Bakhchisarai reservoir according to the application Calculation of Stability of Earth Slopes on Circular Cylindrical Sliding Surfaces, which takes into account the depression curve in the body of structures for the main and special case of loads, as well as the seismicity of the GTS location area. The recommendations a on strengthening the slopes of the dam and levee are given as well.

Keywords: dam, earthen slopes, levee, reservoir, seismic stability, safety.

Введение

Крым относится к сейсмоопасной зоне, здесь неоднократно наблюдались интенсивные землетрясения, сопровождавшиеся катастрофическими разрушениями. С IV в. до н. э. до настоящего времени произошло 77 сильных землетрясений. В ХХ веке самыми масштабными по площади проявления, причиненному материальному ущербу, людским потерям были землетрясения 1927 года. Их было два: первое – 26 июня, второе – в ночь с 11 на 12 сентября. В июне в результате земных толчков мощностью около 9 баллов разрушению подверглось 70 % всех строений. Сумма ущерба составила 1 миллион рублей (по ценам 1927 года) [1]. Бывали годы, когда приборы фиксировали до 250 местных землетрясений в год. В другие периоды их число не превышало 50. Сейчас "нормой" считается 70-80 толчков разной силы в год. Один раз в год толчки  превышают 4 балла. Землетрясения, подобные тому, что произошло в 1927 году, случаются раз в 400-500 лет.

В настоящее время за сейсмической ситуацией в Крыму  непрерывно следят семь стационарных станций, расположенных вдоль побережья от Керчи до Севастополя и в центре полуострова. Полученные на станциях данные составляют основу совершенствования методики прогноза сейсмической опасности для подверженных ей территорий. Надежно предсказывать землетрясения ученые все еще не могут. Например, в 1975 году в Китае был сделан удачный сейсмический прогноз, позволивший избежать многих негативных последствий, но  через год, в том же регионе неожиданно для сейсмологов произошло сильное землетрясение в 10 баллов, при котором погибло около 250 тысяч человек [2], [3].

Ввиду длительного срока работы многие из ГТС мелиоративного назначения на Крымском полуострове требуют реконструкции или ремонта, в том числе с учетом требований сейсмостойкости. К их числу относится Бахчисарайское водохранилище,  расположенное в 5 км от г. Бахчисарая к юго-западу от горы Эгиз-Оба (158 м). Оно функционирует уже более 90 лет, поэтому задача исследования состояния водоема является актуальной [4].

Цель данной работы - расчет сейсмостойкости откосов плотины и дамбы Бахчисарайского водохранилища.

Результаты исследований

Бахчисарайское водохранилище расположено в среднем течении р. Кача. Среднегодовой сток реки (гидропост у с. Баштановка) – 40,1 млн. м³; максимальный расход – 3,14 м³/с.

Район створа плотины сложен песчаниками и конгломератами среднеюрской битакской свиты. В верхней части бассейна развиты отложения триаса и юры, представленные известняками, конгломератами, песчаниками и глинистыми сланцами.

Водохранилище расположено в зоне с интенсивностью сотрясений до 9 баллов (рис.1).

Рис. 1 – Вероятность превышения сейсмической интенсивности в баллах

 

Плотиной Бахчисарайского водохранилища служит земляная насыпь длиной более километра, с шириной гребня 7 м и высотой почти 21 м. Строительство велось в 1927 - 1931 гг., однако дополнительные строительные работы продолжались до 1935 г.

Изначально водохранилище использовали для орошения и водоснабжения, но в настоящее время в связи с загрязнением воды в р. Кача второй функция отпала [4] (табл. 1).

 

Таблица 1 – Технические характеристики водохранилища

В нижнем бьефе ГТС, подверженном возможному затоплению, находятся следующие населенные пункты (название и площадь затопления): п. Новенькое - 0,11 км², с. Краснозорье – 0,07 км², с. Некрасовка – 0,14 км², с. Тенистое – 0,11 км², с. Айвовое – 0,14 км², с. Вишневое – 0,24 км², с. Полюшко – 0,12 км².

В соответствии со «Сводом правил»,  п. 9.11 [5] устойчивость откосов грунтовых сооружений 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:

где F – расчетное значение обобщенного силового воздействия, определяемого с учетом коэффициента надежности по нагрузке  (в зависимости от метода расчета устойчивости откосов F – равнодействующая 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 , т.е. обобщенное расчетное значение сил предельного сопротивления сдвигу по рассматриваемой поверхности;

  – коэффициенты соответственно условий работы, ответственности сооружения, сочетания нагрузок.

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

Числовые значения коэффициентов  приведены в табл. 2, 3.  

Таблица 2 – Числовые значения коэффициента

Класс сооружения	I	II	III	IV
Значение	1,25	1,20	1,15	1,10

 

Таблица 3 – Числовые значения коэффициента

Сочетание нагрузок	Основное	Особое	Строительного периода
Значение	1,00	0,90	0,95

 

Величина коэффициента  принимается в зависимости от используемого способа расчета: 0,95 – при инженерным методе расчета; 1,00 – с учетом напряженно-деформированного состояния.

Для сооружений IV класса при особом сочетании нагрузок K_S ≥ 1,0 независимо от величины . Таким образом, критериальное значение коэффициента устойчивости для сооружений I класса при основном сочетании нагрузок составляет K_S1 = 1,32, при особом сочетании нагрузок К_S2 = 1,18.

Нами был выполнен автоматизированный численный расчет устойчивости откосов плотины и дамбы Бахчисарайского водохранилища по программе «Расчет устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения» с учетом кривой депрессии в теле сооружений для основного и особого случая нагрузок, а также с учетом сейсмичности района расположения ГТС. Эта программа разработана для расчета земляных откосов произвольной конфигурации.

Коэффициент запаса устойчивости откоса определяется по следующим трем методам расчета: метод Г. Крея (иначе – метод А.В. Бишопа); метод К. Терцаги; метод «Весового давления» (метод Р.Р. Чугаева).

Программа позволяет:

- определить область центров и радиусы, рекомендуемые по методу В.В. Аристовского;

- задать необходимое для расчета количество центров поверхностей скольжения и радиусов;

- определить наиболее опасную поверхность в автоматизированном режиме расчета:

- выполнить расчет откоса с учетом действия сейсмических сил.

Исходными материалами для расчетов являлись:

- принятые поперечные профили плотины и дамбы [6], [7];

- физико-механические свойства грунтов, слагающих тело и основание плотины и дамбы [8], [9], [10];

- действующие нагрузки для основного (при НПУ) и особого (при ФПУ) случаев нагрузки;

- положение кривой депрессии в теле сооружений, полученное по результатам фильтрационных расчетов [6];

- сейсмичность района расположения ГТС;

- нормативное значение коэффициента запаса устойчивости при основном случае нагрузок K_s1 = 1,32, при особом случае – K_s2 = 1,18.

Всего выполнено 24 расчета по определению коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины и дамбы (табл. 3) и составлено столько же расчетных схем. В статье приведены две из них (рис. 2, 3).

 

Таблица 4 – Сводная таблица полученных коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины и дамбы Бахчисарайского водохранилища с учетом расчетной сейсмичности

Метод расчета	Значение коэффициента запаса устойчивости Кs. min
Плотина Бахчисарайского водохранилища
Верховой откос (основной случай нагрузки)
Г. Крея	1,549
К. Терцаги	1,453
Весового давления	1,549
Верховой откос (особый случай нагрузки)
Г. Крея	1,542
К. Терцаги	1,447
Весового давления	1,543
Низовой откос (основной случай нагрузки)
Г. Крея	1,646
К. Терцаги	1,529
Весового давления	1,627
Низовой откос (особый случай нагрузки)
Г. Крея	1,637
К. Терцаги	1,522
Весового давления	1,619

 

Окончание таблицы 4 – Сводная таблица полученных коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины и дамбы Бахчисарайского водохранилища с учетом расчетной сейсмичности

Метод расчета	Значение коэффициента запаса устойчивости Кs. min
Дамба Бахчисарайского водохранилища
Верховой откос (основной случай нагрузки)
Г. Крея	1,816
К. Терцаги	1,813
Весового давления	1,856
Верховой откос (особый случай нагрузки)
Г. Крея	1,598
К. Терцаги	1,670
Весового давления	1,673
Низовой откос (основной случай нагрузки)
Г. Крея	2,279
К. Терцаги	2,156
Весового давления	2,262
Низовой откос (особый случай нагрузки)
Г. Крея	2,278
К. Терцаги	2,155
Весового давления	2,261

Рис. 2 – Расчетная схема к определению коэффициента запаса устойчивости верхового откоса плотины Бахчисарайского водохранилища для особого случая нагрузок

Рис. 3 – Расчетная схема к определению коэффициента запаса устойчивости верхового откоса дамбы Бахчисарайского водохранилища для основного случая нагрузок

 

Заключение

На основе многофакторного обследования гидротехнических сооружений Бахчисарайского водохранилища выполнен автоматизированный численный расчет устойчивости откосов плотины и дамбы. Расчеты показали, что ГТС как при нормальном подпорном уровне (НПУ), так и при форсированном подпорном уровне (ФПУ) способны выдерживать землетрясения до 9 баллов включительно.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Землетрясения в Крыму: история и сейсмическая активность в настоящее время [Электронный ресурс] – URL: https://vplate.ru/krym/zemletryaseniya/ (Дата обращения 25.10.2019).
2. Крымские землетрясения [Электронный ресурс] – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (Дата обращения 26.10.2019).
3. Бахчисарайское водохранилище [Электронный ресурс] – URL: https://rg.ru/ (Дата обращения 16.11.2019)
4. Иванкова Т.В. Природно-хозяйственные структуры малых речных бассейнов горного рельефа и пути их развития: инновации, оптимизация или реставрация /Т.В. Иванкова, П.А. Кипкеева, Ю.Я. Потапенко // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. - Т. 26 № 1 (89). – Уфа, 2018 - С. 67-75.
5. СП 39.13330.2012. Свод правил. Плотины из грунтовых материалов. Актуализированная версия СНиП 2.06.05-84*.
6. Справочник по гидравлике. Под редакцией д-ра тех. наук, проф. В.А. Большакова. – К.: Высшая школа, 1977. – 280 с.
7. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П.Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ. и доп. – М.: Энергия, 1972. – 312 с.
8. Справочник по гидротехнике. – М.: ВОДГЕО, 1955. – 832 с.
9. Бахчисарайское водохранилище. Водохозяйственный паспорт. Укргипроводхоз, 1979 г.
10. Измерение геометрических параметров дамбы Бахчисарайского водохранилища геодезическим методом. Отчет о комплексных инженерных изысканиях. Часть I. Инженерно-геодезические изыскания, г. Ростов-на-Дону, 2017г.
11. Декларация безопасности гидротехнических сооружений Бахчисарайского водохранилища, 2016 г.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Earthquakes in Crimea: history and seismic activity at present [Electronic resouce] – URL: https://vplate.ru/krym/zemletryaseniya/ (Accessed: 10/25/2019) [in Russian]
2. Crimean earthquakes [Electronic resouce] – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (Accessed: 10.26.2019).
3. The Bakhchisaray reservoir [Electronic resouce] – URL: https://rg.ru/ (Accessed: 11.16.2019) [in Russian]
4. Ivankova T.V. Prirodno-hozyajstvennye struktury malyh rechnyh bassejnov gornogo relefa i puti ih razvitiya: innovacii, optimizaciya ili restavraciya [Natural and economic structures of small river basins of mountainous terrain and ways of their development: innovation, optimization or restoration] / T.V. Ivankova, P.A. Kipkeeva, Yu.Ya. Potapenko // Bulletin of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan. – Vol. 26 No. 1 (89). – Ufa, 2018 – P. 67-75. [in Russian]
5. SP 39.13330.2012. Set of rules. Dams from soil materials. The updated version of SNiP 2.06.05-84 *.[in Russian]
6. Spravochnik po gidravlike [Handbook of hydraulics]. Edited by Dr. Tech. sciences, prof. V.A. Bolshakova. – K .: Higher school, 1977. – 280 p.
7. Spravochnik po gidravlicheskim raschetam [Handbook of hydraulic calculations]. Edited by P.G. Kiseleva. Ed. 4th, overwork. and add. – M .: Energy, 1972. – 312p. [in Russian]
8. Spravochnik po gidrotekhnike [Handbook of hydraulic engineering]. – M .: VODGEO, 1955 . – 832 p. [in Russian]
9. The Bakhchisaray reservoir. Water passport. Ukrgiprovodkhoz, 1979. [in Russian]
10. Measurement of the geometric parameters of the dam of the Bakhchisarai reservoir using the geodetic method. Integrated Engineering Survey Report. Part I. Engineering and geodetic surveys, Rostov-on-Don, 2017. [in Russian]
11. Declaration of the safety of hydraulic structures of the Bakhchisarai reservoir, 2016. [in Russian]