Расчеты консолидации (уплотнения) глинистых грунтов противофильтрационных устройств плотины и основания выполняются для определения порового давления для строительного и эксплуатационного периодов работы плотины. Известно, что сдвиговая прочность грунта существенно уменьшается при наличии в его порах воды, воспринимающей часть внешней нагрузки. Значение порового давления, его распределение и изменение во времени необходимо знать при расчете деформаций плотины, а также при определении устойчивости его откосов.
Поровое давление определяется и учитывается для плотин высотой 40 м и более в том случае, когда глинистый грунт имеет коэффициент фильтрации 
см/с. Для
плотин высотой менее 40 м поровое давление от консолидации глинистого грунта следует учитывать в случае отсыпки глинистого грунта в воду или при возведении плотин на основании, сложенном глинистым грунта мягкопластичной, текучепластичной или текучей консистенции.
Рис. 2-7. Распределение порового давления в экране плотины Миборо. Поровое давление дано в кПа.
Поровое давление консолидации в ядрах плотин чаще всего определяется из решения плоской задачи теории фильтрационной консолидации как трех- или двухфазной системы, разработанной В. А. Флориным [Л. 84].
Результаты подобных расчетов, выполненных для ряда плотин, хорошо совпадают с данными натурных наблюдений. При этом следует учитывать напряженное состояние сооружения и изменение его во времени, календарный план возведения плотины, график заполнения водохранилища и характер проницаемости основания и боковых призм плотины.
Если грунт в ядро или экран плотины укладывается при средней его влажности, меньше оптимальной, т. е. W<W0, то расчет можно производить по трехфазной системе. Если же грунт в ядро укладывается при W>W0, поровое давление следует рассчитывать по двухфазной системе.
Расчет консолидации глинистых ядер и экранов может выполняться в условиях одномерной задачи для следующих случаев:
а) при ширине ядра или экрана, по подошве меньшей половины высоты, с оттоком воды в горизонтальном направлении;
б) при ширине ядра по подошве, большей в 1,5—2 раза высоты плотины с оттоком воды в вертикальном направлении.
Для этих условий в ВОДГЕО и ВНИИГ были разработаны методы расчета порового давления, позволяющие учитывать изменения показателей грунтов насыпи по высоте плотины.
За рубежом для расчетов порового давления широко пользуется метод Скемптона— Бишопа. Институтом Энергопроект (София) произведены расчеты порового давления в ядре плотины Камчия высотой 75,0 м по методам ВОДГЕО, ВНИИГ и Скемптона— Бишопа. Существенная разница в коэффициентах порового давления получилась по методам, Скемптона—Бишопа и ВНИИГ. Метод ВОДГЕО дает промежуточное значение.
Расчеты порового давления консолидации методом конечных разностей по В. А. Флорину являются весьма трудоемкими. ВНИИГ, Гидропроект и ЛПИ запрограммировали их выполнение на ЭВМ типа М-20, а Энергопроект (София) — по методу ВОДГЕО на ЭВМ «Минск-22».
На рис. 2-7 дано распределение порового давления в массивном экране плотины Миборо высотой 130 м, отсыпанном из переувлажненного грунта, частично дренированного при складировании за счет его переслаивания отходами каменного карьера.
Рис. 2-8. Распределение коэффициента порового давления в экране плотины Брайдль Драйфт.
I — во время строительства; II — в конце строительства; III — распределение порового и фильтрационного давления по подошве экрана при заполнении водохранилища; 1—5 — точки наблюдений.
На рис. 2-8 дано распределение порового давления в тонком экране плотины Брайдль-Драйфт. Плотина Брайдль-Драйфт высотой 51,0 м построена в 1966 г. в ЮАР. Экран плотины отсыпан из гравелистой глины оптимальной влажностью 20,5—16,1% и плотностью 1820—1680 кг/м3. Грунт разрабатывался в карьере. На месте складирования производили подсушку переувлажненного грунта и его перемешивание. Интенсивность возведения экрана на высоту первых 25 м составила 8,9 м/мес, в дальнейшем — 4,3 м/мес. Отклонение грунта но влажности от среднего было 0,5% и по плотности 4-1%. Изогипсы коэффициента порового давления даны на период строительства (I) и окончания (II), а также по подошве экрана по показаниям датчиков 1—5 при заполненном водохранилище III.
На рис. 2-9 дано распределение порового и фильтрационного давления в ядре плотины Серр-Понсон в момент окончания строительства и начала заполнения водохранилища. Ядро плотины отсыпано из щебенисто-глинистого грунта с оптимальной влажностью.
В ряде шведских плотин, ядро которых отсыпано из переувлажненных моренных грунтов, уплотненных трактором, начальное поровое давление достигло 100%. Через 6 мес. оно резко уменьшилось; так, например, на плотине Борга высотой 27,0 м до 15—20%, на плотине Лезеле высотой 35,0 м до 20—40% и плотине Бергефорсен высотой 35,0 м до 15— 30%. На плотине Мессауре высотой 100 м поровое давление после укладки грунта было 50%, а через 2—4 мес. уменьшилось до 10%.
Полученные по натурным наблюдениям зависимости порового давления во времени Р=f(t) по характеру аналогичны расчетным зависимостям, полученным по теории фильтрационной консолидации двухфазного водонасыщенного грунта.
Рис. 2-9. Изменения порового и фильтрационного давления в ядре плотины Серр-Понсон во время строительства и при заполнении водохранилища.
О — датчик давления; 20 — номер датчика; + — репер для измерения осадки.
Рис. 2-11. Соотношение Ρв/σ1 в зависимости от водонасыщения S и отношения горизонтальных и вертикальных напряжений σ3/σ1 (а) и поровое давление и напряжения в ядре плотины Гепач во время ее отсыпки (б). 1 — ход отсыпки плотины; 2 — уровень водохранилища; σ1 — горизонтальное напряжение; σ3 — вертикальное напряжение; Рв — поровое давление воды.
Влияние воздуха, заключенного в порах грунта, можно проследить по результатам исследований плотины Гепач, выполненных в процессе строительства и эксплуатации. В ненагруженном образце грунта поровое давление воздуха не зависит от степени его водонасыщения и почти равно атмосферному. При оптимальной влажности и водонасыщении 0,78 в уплотненном грунте плотины, как это видно из рис. 2-10, только поровое давление воды Рв определяет среднее нейтральное напряжение грунта. На значение Рв оказывает большое влияние соотношение главных напряжений σ1 и σ3. Оно реагирует, как это видно из рис. 2-11, на изменение водонасыщения и уплотнения при анизотропной нагрузке меньше, чем при изотропной. Там же приведены замеренные в ядре плотины Гепач на отметке 1690 м Рв, σ1 и σ3 во время ее строительства. Ядро отсыпалось из искусственной смеси грунта крупностью до 60 мм с оптимальной влажностью 7,5% и плотностью скелета 2160 кг/м3 при водонасыщении 0,86. В 1963 г. горизонтальное давление достигло 0,65 вертикального и коэффициент порового давления 0,58. В процессе строительства изменяются соотношения между напряжением грунта и водонасыщением и изменяется поровое давление воды, происходит его рассеивание под влиянием возрастающих напряжений и дренирующего влияния боковых призм.
