2-9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ТЕЛЕ ПЛОТИНЫ
Предварительное распределение напряжений в профиле плотины с учетом коэффициента бокового давления для расчета устойчивости ее откосов можно получить методом Оде, Самшио и А. И. Тейтельбаума [Л. 70].
Для высоких каменно-земляных плотин с центральным ядром распределения напряжений можно получить на моделях, пользуясь методом фотоупругости. На модели, выполненной из низкомодульных оптически активных материалов, можно провести исследования напряжений в плотине. При переносе полученных на модели напряжений в натуру предполагается, что между напряжениями и деформациями материала плотины существует линейная зависимость.
В ВОДГЕО [Л. 73] разработан универсальный метод расчета напряжений в теле каменно-земляных плотин и получены безразмерные значения напряжений в разномодульной модели плотины с ядром для строительного и эксплуатационного ее загружения.
Рис. 2-15. Распределение напряжений в низовом клине плотины с ядром (при использовании безразмерного значения напряжений).
Безразмерные значения напряжений дают возможность определить напряжения для различных горизонтальных сечений плотин как однородных, так и с ядром, геометрически подобных по размеру и напору рассмотренным моделям. Для определения напряжений в натуре для всех случаев используется формула σ1=σН. Для эксплуатационного периода принято значение р, равное единице, при определении напряжений σх, хху и р, равное плотности грунта, при определении напряжений σу. На рис. 2-15 дано распределение напряжений в плотине Н=300 м в сечении 0,6Н от гребня при использовании значений σ.
Полученные безразмерные значения напряжений для модели плотины с откосами профиля 1:1,75 могут быть использованы при определении напряжений в натуре с достаточной для практических целей точностью и для плотин с откосами от 1:1,5 до 1:2,0. Если по вертикали плотности грунтов плотины различны, следует брать средневзвешенную плотность грунтов.
2-10. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПЛОТИН
Для плотин, сооружаемых в суровых климатических условиях на вечномерзлых основаниях, производятся теплотехнические расчеты. Они сводятся к определению температурного поля плотины и ее основания в состоянии, близком к стационарному, а также и в нестационарном состоянии, особенно в период возведения и первые годы эксплуатации плотин.
Распространение тепла в системе плотина—основание в стационарном состоянии при отсутствии фильтрации для двухмерной задачи определяется уравнением Лапласа по методу ЭГДА, гидродинамических аналогий В. С. Лукьянова или графическим методом. При необходимости учета фильтрационного потока в плотине и основании может быть использован метод П. А. Богословского для двухмерной задачи.
После определения температурного режима плотины, достаточно близкого к стационарному, может быть решено, нужно ли в плотине мерзлого типа предусматривать постояннодействующее замораживающее устройство или при принятых начальных и граничных условиях задачи плотина будет проморожена достаточно надежно. Результаты расчета температурного режима Иреляхской плотины на машине БЭСМ-6 совпадают с данными натурных наблюдений за 1964—1968 гг. Это позволяет рекомендовать этот метод для расчета температурного режима плотин с мерзлотными диафрагмами.
Температурный режим каменно-земляной плотины, построенной на вечномерзлом основании, является достаточно сложным. Покрытие низового откоса плотины «шубой» из щебня, как это сделано на Вилюйской плотине резко сокращает естественную конвекцию холодного воздуха в порах наброски низовой призмы. В этих условиях в период эксплуатации ядро плотины будет находиться в талом состоянии. Длительный и интенсивный процесс прогрева ядра определяется кондуктивным и в большей степени, конвективным видом теплообмена.
Наиболее опасным для талой плотины с точки зрения возможности нарушения режима фильтрации (замерзание, стекающей по низовому откосу ядра профильтровавшейся воды) и последующего замерзания ядра является первый год эксплуатации плотины. Исследования температурного режима строящейся Колымской плотины, проведенные Ленгидропроектом [Л. 3], показали, что в течение первого года эксплуатации нулевая изотерма не проникает в ядро плотины и располагается на границе с первым слоем обратного фильтра. Это подтверждают и натурные наблюдения на Вилюйской плотине. Тепловые процессы в ядре стабилизируются медленно. Практически можно считать период стабилизации равным 20—25 лет, к этому времени большая часть ядра достигнет температуры, превышающей +3°С. Прогрев ядра плотины вызывает повышение температуры в фильтре и примыкающей к нему наброске. Такое повышение температуры в фильтре (до большей 0° в первом слое и от 0 до —2°С во втором) и его влияние на примыкающую область до 90 м наброски можно ожидать через 20 лет.
Под защитой «шубы» толщиной 3 м глубина активной зоны в наброске сокращается до 13 м. Температура в подошве активной зоны понижается с удалением от ядра до —8,5—10°С. Ниже активной зоны в каменной наброске находится область стабилизированных температур. В зоне, где сказывается влияние фильтрующего ядра, температура наброски изменяется от —3 до —9°С, а в остальной части от —6 до —9°С. Уменьшение толщины шубы вдвое не оказывает заметного влияния на температурный режим ядра и фильтров, но увеличивает глубину активной зоны в наброске вдвое.
