При проектировании плотин в сейсмических районах необходимо считаться с сейсмическими воздействиями в соответствии с требованиями СНиП II-А.12-69. В СНиП приведены данные по сейсмическому районированию Советского Союза, которые уточняются по данным изысканий при проектировании гидроузла.
Расчеты сейсмостойкости плотин выполняются обычно по статическому методу, при котором в состав активных сил включаются объемные инерционные силы, определяемые коэффициентом сейсмичности kc в зависимости от проявления сейсмической активности. Собранные и обработанные Институтом физики земли АН СССР данные о землетрясениях и анализ их акселерограмм позволяют дать следующие характеристики землетрясений, приведенные в табл. 2-4.
Действительные ускорения землетрясений изменяются в довольно широких пределах и зависят от вида грунта, его толщи, уровня грунтовых вод и пр.
Таблица 2-4
Динамические характеристики землетрясений
Статический метод определения сейсмических сил учитывает некоторые динамические особенности плотины. Динамическая теория сейсмостойкости базируется на изучении акселерограмм сильных землетрясений, а для оценки сейсмического воздействия на плотину применяется спектральный подход.
В расчетах сейсмостойкости чаще всего применяются те же приемы, что и при расчетах устойчивости откосов плотин в статических условиях (см. § 2-3). К статическим нагрузкам добавляются сейсмические силы и определяется коэффициент запаса устойчивости, который находится для той же кривой обрушения, для которой он определен как минимальный от действия основных сил.
Сейсмическую нагрузку определяют с учетом некоторых динамических особенностей сооружения, используя для этого динамическую теорию сейсмостойкости.
Расчетное значение сейсмической нагрузки Sik в точке k, соответствующее i-му тону собственных колебаний плотины, определяется по формуле
Расчеты ведутся в основном от действия горизонтально направленной инерционной силы. В необходимых случаях учитывается вертикальная сейсмическая нагрузка, которая принимается в размере от 10 до 30% горизонтальной.
Недостатком статического метода является невозможность оценки размеров деформаций, которые могут произойти в плотине при землетрясении, а коэффициент запаса устойчивости откосов, определяемый из этого условия, весьма условен, поскольку в течение землетрясения он может несколько раз становиться меньше единицы, не вызывая ни разрушения, ни чрезмерных деформаций из-за слишком коротких периодов времени, при которых максимальные сейсмические силы действуют в одном направлении.
С учетом этого были предложены более точные методы расчета, основанные на определении деформаций путем интегрирования смещений грунта во время землетрясения на основе спектрального анализа зарегистрированных землетрясений и принимаемого какого-либо из них за расчетное. В каменно-земляных плотинах представляется возможным некоторая потеря устойчивости откоса под действием сейсмических колебаний при условии, что смещения будут в допустимых пределах. Расчет сейсмостойкости плотин по допускаемым смещениям масс грунта [Л. 123] позволяет получить более обжатый профиль плотины.
Одним из перспективных методов расчета сейсмостойкости каменно-земляных плотин является метод конечных элементов [Л. 27]. Предложен также новый метод расчета сейсмостойкости плотин [Л. 121], который применяется одновременно с экспериментальным исследованием модели плотины на виброплатформе. Этим методом произведены расчеты японской плотины Пейпенай высотой 57,4 м с асфальтобетонным экраном (см. рис. 4-25) с очень высоким коэффициентом сейсмичности — 0,18 g.
При проектировании плотины Оровилл применялся статический метод расчета [Л. 55] при расчетном ускорении 0,10 g. Для определения коэффициента сейсмичности в различных сечениях плотины были проведены расчеты динамической реакции при переменных модулях сдвига насыпи.
В результате этих расчетов было установлено, что ускорение изменяется по высоте плотины от 0,1 g у основания до 0,3 g в верхней четверти высоты. Расчеты устойчивости откосов проводились методами сдвига по круговым поверхностям и сдвигаемого клина при различных подпорных уровнях, при различных значениях прочности материалов в отдельных зонах плотины и разных значениях ускорения по высоте.
При расчетах плотины Мангла [Л. 106] ускорение было принято также равным 0,10 g. Расчетные ускорения были определены для разных высот плотины по откорректированному спектру ускорений. Распределение ускорений было рассчитано для первых пяти тонов колебаний. На рис. 2-6,, проведена кривая распределения максимальных расчетных ускорений по высоте этой плотины. При расчете устойчивости откосов было принято осредненное значение максимальных ускорений от основания до гребня 0,11 g. Кроме того, была проведена проверка устойчивости. верхних 40 м плотины на повышенное ускорение 0,15 g. Расчеты были проведены методами сдвига по круговым поверхностям и сдвигаемого клина с учетом специфических условий напластования пород в основании плотины. При расчетах были приняты различные коэффициенты запаса устойчивости, а именно: для верхового откоса при быстром снижении подпорного уровня k3=1,0; для низового откоса при законченном строительстве плотины, т. е. при фильтрационном (поровом) давлении в случае; если поверхность обрушения проходит через ядро, k3=1,2, а если поверхность обрушения не проходит через ядро, k3=1,0. Таким образом, при расчетах сейсмостойкости плотины Мангла были приняты заниженные коэффициенты запаса устойчивости проектного профиля.
Рис. 2-6. Плотина Мангла (а) и распределение по ее высоте сейсмических ускорений (б).
1 — укатанный песчаник; 2 — то же с глиной; 3 — ядро из глины; 4 — переходная зона; 5 — фильтр; 6 — промытый гравий; 7 — пригрузка на верховом и (не показанная на рисунке) низовом откосах; 8 — аллювий, 9 — песчаник; 10 — прослойки глины. Сплошная кривая — распределение сейсмических ускорений по высоте плотины; пунктирная — плоскости обрушения откосов при плоском сдвиге по глине.
При расчете ряда плотин, построенных в сейсмических районах, приняты следующие ускорения:
Черри-Вэлли— 100,0 м (США) 0,05 g
Оровилл—236,0 м (США) . 0,10 g
Дербенди Кхан— 135,0 м (Ирак) .. 0,10 g
Джатилухур—100,0 м (Индонезия) ... 0,10 g
Мангла—116,0 м (Пакистан) . 0,11 g
Кебан—207,0 м (Турция) 0,10 g
Макио —106,0 м (Япония) 0,15 g
Тарбела— 147,9 м (Пакистан) 0,15 g
Алмус — 93,5 м (Турция) . 0,15 g
Пейпенай — 57,4 м (Япония) 0,18 g
Так как вопросы о допустимых .перемещениях и определении динамических модулей деформаций сдвига еще недостаточно разработаны и обоснованы, то статический метод расчета еще какое-то время будет приниматься при расчетах сейсмостойкости плотин с использованием элементов динамической теории.
При расчетах сейсмостойкости плотин необходимо знать параметры колебаний основания и плотины, а также распределение инерционных сил по высоте плотины. Необходимо знать и динамические характеристики грунтов. Динамические параметры колебаний (период и форма колебаний, распределение инерционных сил по высоте и пр.) могут быть определены теоретически, измерены в натурных условиях на построенных плотинах и получены в результате исследований на моделях в лабораторных или полевых условиях.
Исследования НИС Гидропроекта по определению динамической устойчивости моделей плотин из различных крупнообломочных несвязных грунтов показали, что степень устойчивости плотин зависит от вида грунта, формы его зерен, степени окатанности и соответственно от сил взаимного заклинивания зерен (камней). В статических условиях зацепление у несвязных грунтов невелико и им обычно пренебрегают. При динамическом воздействии (особенно оно начинает сказываться при напряжении 5 МПа), если оно кратковременно, требуется значительная инерционная сила для преодоления этих сил. Поэтому откос из рваного камня является более сейсмостойким, чем из окатанного. При динамических расчетах следует пользоваться и динамическими характеристиками сопротивления сдвигу. Определив на модели плотины из исследуемого грунта динамически устойчивый угол откоса, можно определить и динамический угол внутреннего трения.
Для каждого вида грунта и его состояния при заданном динамическом воздействии может быть установлено заложение откоса, при котором деформации перемещения грунта будут отсутствовать или находиться в допустимых пределах.
Динамическая устойчивость откоса плотины может быть увеличена за счет пригрузки крупноблочным, динамически более устойчивым материалом, например рваным камнем (плотины Такасэ и Нанакура).
