Гидротехнические сооружения учебник - Расчет устойчивости откосов земляных насыпных плотин

Расчет устойчивости низового откоса плотин выполняется для случаев [31]:

1. в верхнем бьефе нормальный подпорный уровень (НПУ), дренажи работают нормально, в теле плотины установившаяся фильтрация; при наличии воды в нижнем бьефе глубина ее принимается максимально возможной, но не более 0,2Н, где Н — высота откоса, при большей глубине в расчетах она принимается равной 0,2Н;
2. подпорный уровень и уровень нижнего бьефа определяются максимальным расходом, относимым к основным сочетаниям нагрузок и воздействий (случай водосбросов без затворов);
3. в верхнем бьефе форсированный подпорный уровень воды(ФПУ), в нижнем бьефе глубина воды максимальная, соответствующая ФПУ.

Рис. 1.23. График для расчета устойчивости откосов земляных плотин

Расчет устойчивости верхового откоса выполняется для случаев:

1. принимается максимально 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 учитываются силы неустановившейся фильтрации;
2. уровень воды в верхнем бьефе находится на самой низкой отметке, но не ниже 0,2Н, где Н — высота откоса; уровень грунтовой воды в теле плотины принимается на той же отметке, что и уровень воды в водохранилище;
3. принимается максимально возможное снижение уровня воды в верхнем бьефе с наибольшей возможной скоростью, начавшееся от ФПУ; при этом учитываются силы неустановившейся фильтрации.

Среди многих существующих методов расчета устойчивости откосов наибольшее распространение получил метод расчета по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения, в свою очередь имеющий много разновидностей. При выполнении расчетов этими методами следует иметь в виду их приближенность. Поэтому при окончательном выборе устойчивого профиля земляных плотин необходимо учитывать опыт эксплуатации построенных сооружений, конструктивные и строительные соображения.

Устойчивость откосов однородных земляных плотин приближенно можно рассчитывать по графику, предложенному институтом ВОДГЕО (рис. 1.23), принимая при этом, что оползание откоса под действием собственного веса будет происходить по круглоцилиндрической поверхности. Установив на основании полевых или лабораторных исследований удельный вес грунта γг, кН/м³, угол внутреннего трения грунта откоса φ°, удельное сцепление с, кПа, и зная высоту откоса Н, м, по графику (рис. 1.23) находят угол безопасного откоса α°, предварительно определив величину с(γгН). Для предварительных расчетов значения φ и с можно принимать по табл. 4.
По графику (рис. 1.23 ) можно решать следующие задачи: предварительно задавшись уклоном откоса, проверять, будет ли откос устойчив; определять предельную высоту откоса при данном его уклоне; находить уклон откоса при данной его высоте.
Пример 1.3. Определить уклон низового откоса для плотины высотой 15 м из суглинистого грунта. Удельный вес грунта γг = 18 кН/м³, угол внутреннего трения грунта откоса φ = 15°, удельное сцепление с = 20 кПа. Определяем значение величины по которому на кривой φ=15° графика находим угол наклона откоса к горизонту а = 37°. Коэффициент откоса
Принимаем с запасом т = 1,5.

Обычно откосы земляных плотин сложены неоднородными по составу грунтами, даже в плотинах из однородного грунта. Это объясняется тем, что в однородных плотинах грунт, лежащий ниже поверхности депрессии, имеет иной удельный вес и сцепление, чем вышележащий.
Откосы неоднородных земляных плотин (рис. 1.24) можно также рассчитывать по методу круговых поверхностей скольжения. В этом случае предполагается, что в грунте тела и основания плотины может образоваться круглоцилиндрическая опасная поверхность скольжения под действием сил веса грунта откоса, в связи с чем произойдет сползание грунта откоса и выпучивание основания. Сползанию грунта будет сопротивляться сила трения и сцепления по поверхности обрушения.
Проверка устойчивости откоса сводится к определению коэффициента устойчивости ky, который равен (если не считать сил бокового давления) отношению момента удерживающих сил (трения и сцепления) к моменту сдвигающихся сил:
(1.88)
Расчет выполняется в условиях плоской задачи, когда рассматривается отрезок плотины длиной, равной единице. Грунт плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность, а ниже ее находится в насыщенном водой состоянии.
Выбрав по определенному правилу точку, из нее как из центра проводят дугу окружности радиусом R, захватывающую только тело плотины (например, в случае скального основания) или и часть основания. Выделенный массив грунта, который может сползти по дуге этой окружности, делится вертикальными плоскостями на отсеки шириной b = R/m0 (обычно m0 = 10 или 20).

Рис. 1.24. К определению устойчивости низового откоса земляной плотины

Отсек, располагающийся симметрично относительно вертикали, проходящей через центр кривой скольжения, обозначается как нулевой. Нумерация отсеков, расположенных от нулевого отсека в сторону откоса, принимается со знаком плюс, а в направлении от откоса — со знаком минус.
В общем случае выделенный отсек грунта находится под действием собственного веса, бокового давления соседних масс грунта и давления фильтрационного потока.
Собственный вес отсека

При наличии слоя воды над отсеком выше линии откоса

Наименьшее значение коэффициента устойчивости откоса ky при соответствующем сочетании нагрузок не должно превышать величины kn/m более чем на 10 %, если это не обусловлено особенностями сооружения. В том случае, если указанные условия не
удовлетворяются, необходимо внести соответствующие изменения в конструкцию или размеры сооружения.
Для низконапорных земляных плотин IV класса высотой менее 5 м расчет устойчивости откосов не производят. Принятые по табл. 1.2 коэффициенты откосов обеспечивают устойчивость плотины.

В земляных плотинах из несвязного грунта без дренажа опасным в смысле нарушения устойчивости грунта является участок низового откоса, в пределах которого происходит выход (высачивание) фильтрационной воды. Сползания грунта не будет (с некоторым запасом) в том случае, если (рис. 1.25) tg α tg φ/2, где а — угол наклона откоса к основанию плотины; φ — угол внутреннего трения грунта.
Если это условие не выдержано, необходимо предусмотреть дренаж или принять более пологий откос.