Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время использование богзтейпшх гидроэнергетических ресурсов нашей страны невозможно осуществить без проектирования и строительства большого числа грунтовых водоподпорных сооружений. Они же необходимы и для решения других водохозяйственных задач, в частности, для создания водоемов и водохранилищ с целью водозабора, орошения, обводнения или в качестве оградительных дамб каналов и регуляционных сооружений русел рек, а также при формировании накопителей промышленных отходов и т. д.
Грунтовые плотины составляют около 85 % всех проектируемых и построенных в мире плотин. В России доля грунтовых плотин составляет более 80 %. Причем из всех построенных в мире плотин только лишь 1-2 % составляют плотины высотой более 100 м. Широкое распространение в настоящее время грунтовых плотин в качестве водоподпорных сооружений обусловлено возможностью использования для возведения тела плотины дешевых местных грунтов, появлением мощных машин и механизмов для разработки, транспортирования и укладки грунтов, возможностью строительства плотин в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях и др.
В тоже время нередки случаи повреждений или разрушений грунтовых плотин, в том числе и с катастрофическими последствиям и человеческими жертвами. При этом наибольшее число разрушений грунтовых плотин (около 53 %) относится к земляным плотинам высотой от 15 до 30 м. К основным причинам разрушений и повреждений земляных плотин относятся фильтрационные деформации грунтов тела и оснований плотин, вызванные во многих случаях их анизотропной водопроницаемостью. В связи с этим актуальное значение приобретают вопросы разработки более надежных методов фильтрационного расчета и проектирования земляных плотин с учётом анизотропной водопроницаемости материала тела плотины, возникающей как результат технологических особенностей их возведения.
Существующие методы фильтрационного расчёта земляных плотин до настоящего времени не в полной мере учитывают анизотропные свойства грунта тела, что сказывается на условиях строительства и эксплуатации плотин, а в ряде случаев является причиной их разрушений и аварий. Совершенствованию методов фильтрационного расчета земляных плотин с учетом анизотропной водопроницаемости грунтов их тела посвящена настоящая диссертационная работа, которая выполнена в рамках важнейших НИР ФГОУ ВПО «Ново-
черкасская государственная мелиоративная академия» по проблеме «Безопасность гидротехнических сооружений».
Целью диссертации является совершенствование методов фильтрационных расчетов и проектирования земляных плотин с учетом их анизотропной водопроницаемости нз основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства земляных плотин, существующих конструкций и методов их фильтрационного расчета с учетом их анизотропной водопроницаемости.
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования фильтрации в земляных плотинах с анизотропной водопроницаемостью грунта для обоснования методики построения косоугольных гидродинамических сеток и определения по ним параметров фильтрации.
-
Обоснованы методы фильтрационного расчета земляных плотин с внешним, внутренними и комбинированными дренажами с учетом горизонтальных и наклонных анизотропных свойств грунта плотины.
-
Разработаны рекомендации по фильтрационному расчету земляных плотин с различными типами дренажа с учетом анизотропных свойств грунтов их тела, выбору их рациональной конструкции.
Методы исследований. Теоретические исследования фильтрации выполнялись аналитическими методами на основе гидравлических моделей с использованием отдельных результатов строгих гидромеханических решений и численных методов расчета. Экспериментальные исследования выполнялись методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), при этом использовались известные ортогональные и косоугольные гидродинамические сетки изотропных и анизотропных областей фильтрации с последующим преобразованием их с помощью прикладных программ на ЭВМ. Обработка опытных данных осуществлялась известными методами математической статистики.
Достоверность научных результатов обусловлена использованием при моделировании аттестованного оборудования и приборов, изотропных и анизотропных электропроводных материалов с соблюдением законов физического подобия натуры и модели, сопоставлением результатов автора, полученных теоретически и по методу ЭГДА, с данными отечественных и зарубежных ученых, а также с итоговыми результатами точных гидромеханических решений и численных подсчетов для частных случаев. Для некоторых расчётных схем в экспериментальных исследованиях использовались стандартные при-
кладные программы на ЭВМ. Обработка эмпирических данных осуществлялась апробированными методами математической статистики.
Научная новизна работы состоит в следующих выносимых на защиту положениях:
разработаны методики построения косоугольных гидродинамических сеток движения фильтрационного потока и определения по ним параметров фильтрации в анизотропных земляных плотинах, усовершенствована модель анизотропной электропроводной среды;
усовершенствованы существующие и разработаны новые методы фильтрационного расчета земляных плотин с внешним, внутренними и комбинированными дренажами с учетом горизонтальной и наклонной (прямой, обратной) анизотропной водопроницаемости грунта тела;
обоснованы местоположение и размеры дренажных устройств анизотропных земляных плотин, а также условия рационального применения наклонной укладки грунта в тело плотины;
- разработана новая конструкция зуба в земляной плотине на водопро
ницаемом основании ограниченной мощности.
Практическую значимость работы составляют:
методы фильтрационного расчета земляных плотин с различными типами дренажа при наличии горизонтальной, наклонной (прямой, обратной) анизотропной водопроницаемости грунта тела;
обоснованные конструкции, местоположение и размеры различных типов дренажей (внешнего, внутреннего и комбинированного) земляных плотин с учетом анизотропных свойств грунта тела и новая конструкция зуба с выпуклой криволинейной низовой гранью;
рекомендации по использованию рациональных схем наклонной укладки грунта в тело плотины, обеспечивающих наибольшую противофильт-рационную эффективность;
методики построения косоугольных гидродинамических сеток и получения анизотропной электропроводной среды.
Результаты выполненных исследований внедрены в проекте земляной плотины Саготнинского водохранилища, выполненных институтом «Каб-балкгипроводхоз». Расчетный экономический эффект составил 175,768 тыс. руб. Результаты исследований нашли также практическое использование при чтении дисциплины «Гидротехнические сооружения» в учебном процессе ФГОУ ВПО «КБГСХА» и ФГОУ ВПО «НГМА».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладыва-
лись на научных конференциях ФГОУ ВПО «НГМА» (Новочеркасск 2005 г.), П-й Всероссийской конференции «Вопросы повышения эффективности строительства» (Нальчик 2004 г.), на семинарах-совещаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГОУ ВПО «НГМА» (Новочеркасск 2003-2006 г.), кафедры «Природообустройство» ФГОУ ВПО «КБГСХА» (Нальчик 2003-2006 г.).
Личный вклад автора. Постановка проблемы, формулирование задач и нахождение их теоретических и экспериментальных решений, а также приведенные в работе научные и практические результаты, их анализ и окончательные выводы выполнены автором лично при консультациях научного руководителя. В проведении отдельных экспериментов по исследованию земляных плотин с комбинированными типами дренажа принимали участие сотрудники кафедры «Природообустройство» КБГСХА и кафедр «Гидротехнические сооружения» и «Гидравлика и инженерная гидрология» НГМА.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в центральной печати {в журнале «Гидротехническое строительство»), получено положительное решение по патенту на изобретение по заявке № 2004131178 от 23.05.06 г.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 172 страницы текста, включая 35 рисунков, 8 таблиц, список использованных литературных источников из 142 наименований, в том числе 16 зарубежных.
