Проектирование гидротехнических сооружений практически во всех случаях неразрывно связано с геотехническим анализом. Целью геотехнического анализа является выявление, описание и расчетная оценка геотехнических рисков. Во многих случаях именно отсутствие или некачественное выполнение геотехнического анализа приводит к возникновению аварийных ситуаций на гидротехнических объектах.
Ниже рассмотрим результаты геотехнического анализа на примере проектирования реконструкции плотины из грунтовых материалов. В соответствии с техническим заданием был предусмотрен следующий объем и состав работ:
- Анализ результатов инженерных изысканий с выделением опасных и потенциально опасных факторов;
- Изучение результатов комплексного обследования дамбы;
- Выявление и описание основных геотехнических рисков;
- Поверочный расчет устойчивости дамбы в расчетном сечении;
- Поверочный фильтрационный расчет дамбы в расчетном сечении;
- Подготовка отчета с выводами и рекомендациями.
Краткая характеристика гидротехнического объекта
Объект: «Гидротехнические сооружения Дамба на реке…».
Состав ГТС: плотина из грунтовых материалов, нерегулируемый трубчатый водосброс.
Идентификационные сведения об объекте:
- Назначение (ГТС): рекреационное.
- Принадлежность к опасным производственным объектам: класс опасности ГТС III.
- Уровень ответственности зданий и сооружений: нормальный.
Водоподпорное сооружение: грунтовая плотина, длина 140,8 м, высота 7 м, ширина по гребню 11 м, напор 4,8 м. Водопропускное сооружение: нерегулируемый трубчатый водосброс, входной оголовок с переливом через фронтальную стенку из двух секций, 2 трубы из сборного железобетона диаметром 1600 мм длиной 60 м, отводящий канал открытый с плиточной облицовкой.
В случае разрушения дамбы при максимальных уровнях водохранилища 138,20 м БС в нижний бьеф будет поступать вода суммарным расходом до 41,2 м3/с. Весь объём водохранилища 256 000 м3 будет слит за 97 минут. Территория возле здания «…» (памятник архитектуры) будет затоплена на 3 м.
Геотехнические риски
Проектирование гидротехнических сооружений выполняется при обязательном геотехническом сопровождении, в рамках которого выполняется оценка геотехнических рисков с целью предотвращения аварийных ситуаций на гидротехнических объектах, а также с целью разработки оптимальных проектных решений.
Риск разрушения основания из-за развития карстово-суффозионных процессов
В ходе инженерно-геологических изысканий установлено, что грунтовое основание дамбы включает в себя карстующиеся породы, представленные известняками малопрочными, трещиноватыми (ИГЭ-3). Тип карста – карбонатный. Район работ относится к V-Г категории устойчивости территории (относительно интенсивности провалообразования).
В естественных условиях карбонатный карст развивается достаточно медленно, однако следует учитывать следующие факторы:
- возможность наличия уже существующих (и медленно растущих) подземных карстовых пустот, не выявленных в процессе изысканий;
- высокую водопроницаемость карстующихся пород по причине их трещиноватости (коэффициент фильтрации для известняков составляет 70 м/сут);
- отсутствие водоупора, перекрывающего карстующиеся породы;
- наличие градиента вертикальной и горизонтальной фильтрации, вызванного влиянием гидротехнических сооружений.
Для минимизации рисков разрушения грунтового основания дамбы из-за развития карстово-суффозионных процессов рекомендуется:
- провести дополнительные изыскания в части установления наличия/отсутствия карстовых пустот (рекомендуется применить геофизические методы);
- выполнить устройство противофильтрационных завес, что предусмотрено пунктом 8.7 СП 23.13330.2018.
Риск неравномерных дополнительных деформаций основания
Первым слоем грунта, который непосредственно воспринимает нагрузку от дамбы, является ИГЭ №2 — Известняк, выветрелый до состояния песка средней крупности, с вкл. до 20% дресвы и щебня.
В ходе инженерно-геологических изысканий установлено, что грунты ИГЭ № 2 (карбонатный бесструктурный элювий):
- обладают анизотропными свойствами;
- деформационные характеристики изменяются в очень широких пределах;
- резко снижается прочность при увлажнении;
- возможно проявление просадочных свойств.
Из анализа инженерно-геологического разреза и данных по коэффициентам фильтрации можно установить, что постоянное замачивание грунтов ИГЭ № 2 практически неизбежно, следовательно, неизбежно и ухудшение прочностных и деформационных характеристик.
Для обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности дамбы необходимо усилить грунты ИГЭ № 2, с тем чтобы гарантировать стабильность прочностных и деформационных характеристик на весь период эксплуатации.
Риск дополнительных деформаций и разрушения тела плотины из-за отсутствия противофильтрационных устройств
По имеющимся данным, для рассматриваемой дамбы проектом не предусмотрены противофильтрационные устройства. В частности, отсутствует противофильтрационная защита верхового откоса, сложенного смесью песчаного и крупнообломочного грунта. Также отсутствует противофильтрационная защита основания.
При максимальных уровнях в верхнем бьефе происходит следующее:
- интенсивное замачивание глинистых грунтов ИГЭ-1, что в ходе эксплуатации будет приводить к снижению прочностных и деформационных характеристик (по этой причине часть грунта уже перешла в мягкопластичное и текучепластичное состояние);
- неконтролируемая фильтрация через тело дамбы, т.к. в слое насыпного грунта ИГЭ-1 имеются хаотичным образом расположенные частые прослои песка и других грунтов с высоким коэффициентом фильтрации;
- в сочетании с наличием строительного мусора и заторфованных грунтов, все это будет приводить к дополнительным осадкам и просадкам, а также формированию новых опасных поверхностей скольжения, местоположение которых будет достаточно сложно предсказать расчетным способом.
Рекомендуется предусмотреть противофильтрационные устройства в соответствии с СП 39.13330.2012 (целесообразно использовать геосинтетические материалы для верхового откоса и устройство понура для сопряжения с основанием).
Риск прогрессирующего обрушения гидротехнического сооружения
В подразделе x.x указано, что существующая подпорная стена находится в аварийном техническом состоянии. Если предположить, что при максимальных уровнях воды в верхнем бьефе произойдет разрушение подпорной стены, то это может привести к прогрессирующему обрушению всей дамбы, что крайне опасно с учетом возможных последствий.
Рекомендуется в максимально сжатые сроки запроектировать и реализовать усиление существующего подпорного сооружения, удерживающего низовой откос дамбы. Проектные решения следует разработать в соответствии с СП 381.1325800.2018 и СП 101.13330.2012.
Поверочные геотехнические расчеты
Проектирование гидротехнических сооружений включает в себя выполнение комплекса геотехнических расчетов:
- расчет устойчивости системы «сооружение-основание»;
- расчет напряженно-деформированного состояния системы «сооружение-основание»;
- фильтрационный расчет системы «сооружение-основание»;
- теплотехнический расчет системы «сооружение-основание».
Все перечисленные расчеты выполняются или аналитическими методами, изложенными в нормативных документах и технической литературе (например – здесь), или численными методами механики сплошной среды.
Поверочный геотехнический расчет устойчивости откосов дамбы
Определение устойчивости откоса выполняется методом SRM (Shear Reduction Method) –редукции (ступенчатого уменьшения) прочностных параметров материалов модели, доводя модель до искусственного разрушения. При данном методе поверхность скольжения определяется автоматически в ходе расчета.
При расчете устойчивости дамбы учитываются следующие основные расчетные ситуации в соответствии с СП 39.13330.2012:
- для низового откоса первый расчетный случай (основной): в верхнем бьефе — нормальный подпорный уровень НПУ, в теле плотины — установившаяся фильтрация;
- для верхового откоса первый расчетный случай (основной): максимальное возможное снижение уровня воды в водохранилище от НПУ, при этом учитываются фильтрационные силы неустановившейся фильтрации.
В расчетах учитывается нагрузка от проезда пожарных автомобилей по дамбе, которая принимается в соответствии с СП 296.1325800.2017 «Здания и сооружения. Особые воздействия» — 36 кПа (нормативное значение).
Согласно результатам поверочного расчета устойчивости низового откоса дамбы, расчетный коэффициент устойчивости Kуст=1,03. Поскольку коэффициент устойчивости приблизительно равен единице, то это свидетельствует о состоянии предельного равновесия.
Согласно результатам поверочного расчета устойчивости верхового откоса дамбы, расчетный коэффициент устойчивости Kуст=1,17. Поскольку коэффициент устойчивости больше минимально требуемого [Куст]=1.15, то устойчивость откоса можно считать обеспеченной.
Поверочный фильтрационный расчет
Поверочный фильтрационный расчет выполняется методом конечных элементов (МКЭ). Фильтрация в пористой грунтовой среде с переменным водонасыщением описывается с помощью: уравнения баланса масс, обобщенного закона Дарси, уравнения Ричардса. Для каждого элемента расчетной модели задается значение коэффициента фильтрации. Кроме того, задаются граничные условия для решения фильтрационной задачи.
В ходе фильтрационного расчета дамбы определяются:
- положение кривой (поверхности) депрессии;
- фильтрационные расходы через тело плотины;
- напоры фильтрационного потока и их градиенты в теле плотины.
Результаты фильтрационного расчета дамбы, выполненного с учетом наличия в слое насыпного глинистого грунта (ИГЭ-1) частых прослоев песка и других грунтов с высоким коэффициентом фильтрации, показали, что расчетное положение поверхности депрессии хорошо согласуется с тем, что наблюдается по факту.
Выводы и рекомендации
- По итогам геотехнического анализа, результаты которого приведены выше, Заказчиком было принято решение — «в экстренном порядке усилить существующее подпорное сооружение, удерживающее низовой откос». Кроме того, выявленные геотехнические риски были учтены при разработке проектных решений.
- В данной статье приведены лишь небольшие фрагменты из многостраничного отчета. Полную версию отчета по данному объекту и многим другим объектам мы можем продемонстрировать Заказчикам наших услуг.
- Геотехнический анализ играет важную роль при проектировании гидротехнических сооружений, т.к. позволяет выявить основные геотехнические риски, которые следует учитывать при разработке проектных решений с целью обеспечения требований в части безопасности и надежности гидротехнического объекта.
- Геотехнический анализ целесообразно выполнять на предпроектном этапе, на этапе проектирования, а также в ходе эксплуатации при обнаружении проблем с техническим состоянием гидротехнического сооружения.
- Проектирование гидротехнических сооружений требует глубокого знания механики грунтов, включая такие специальные разделы как: нелинейная механика грунтов; теория предельного равновесия; теория фильтрационной консолидации.