Увлекающие фильтрационные силы (УФ-силы) в основаниях высоких плотин
Трещинная пустотность всегда меньше межзерновой и составляет не более 20 % общей пористости породы. В то же время трещинная проницаемость горных пород может превышать проницаемость пористых пород на несколько порядков. На свойства проницаемости и деформируемости трещиноватых пород влияет прерывистость сети трещин, которая характеризуется показателем расчлененности массива а. Например, для основания плотины Саяно-Шушенской ГЭС коэффициент а меняется в пределах от 20 до 80 %.
Увлекающая фильтрационная сила (УФ-сила) возникает за счет вязкости движущейся воды в порах и трещинах горных пород и связанной с этим потерей напора вдоль линий тока. Образующиеся в объеме массива градиенты фильтрационного напора формируют УФ-силы, вектор каждой из которых направлен по касательной к линии тока. В трещиноватых массивах значение УФ-силы в некотором малом объеме d фильтрующего пространства определяется произведением:
dF=αρgidW
где i = dH/dL — среднее для данного объема значение градиента напора: ρ и g — соответственно, плотность воды и ускорение силы тяжести.
Составляющие УФ-сил в массиве основания плотины и берегов (заштрихованы области действия вертикальных составляющих)
а — разрез вдоль русла реки: 6 — разрез поперек русла
По мере заглубления фронта фильтрационного потока в толщу скального основания векторы УФ-сил вдоль каждой ленты тока изменяются по модулю и меняют свою ориентацию. В первый период, после наполнения водохранилища основная часть УФ-сил ориентирована вертикально вниз. Эти объемные нисходящие силы ΔFz, как и поверхностная сила ΔFп обусловливают осадку основания.
Предположим, что водохранилище мгновенно наполняется до глубины Н. В этом случае в начальный период эксплуатации на обеспечение осадки ложа водохранилища и основания плотины работает полный гидростатический напор, формирующий распределенную по площади Q поверхностную силу P0- pgHΩ.B этот период основание получает некоторую максимальную осадку S. После принятия плотиной напора в подстилающем трещиноватом массиве начинается формирование фильтрационного потока и соответствующих распределенных по вертикали нисходящих УФ-сил. В этот период часть формирующей осадку поверхностной силы Р0 вместе с проникающей в массив напорной водой «уходит» на глубину. По мере заглубления фильтрационного потока в толщу массива осадка поверхности от этого уменьшается, несмотря на то, что сумма распределенных вертикальных сил остается прежней.
Относительные эпюры осадок ложа водохранилища
а—от действия вертикальной сосредоточенной силы Р0; б — от действия распределенной но вертикали в массиве на глубину 350 м этой же силы
Расчеты показывают, что при вертикальном заглублении фильтрационного потока на глубину 350 м начальная осадка S поверхности упругого фильтрующего полупространства уменьшается примерно в два раза и составляет S/2 . В процессе эксплуатации водохранилища происходит медленная трансформация создаваемой весом водохранилища поверхностной силы Р0 в объемные фильтрационные силы, иначе говоря — происходит преобразование части потенциальной энергии гидростатического напора в верхнем бьефе в работу по деформированию внутренних зон массива горных пород.
Практически это положение подтверждается динамикой осадок марок геодезической сети по обоим берегам водохранилища СШГЭС. Максимальные осадки отмечены марками, наиболее удаленными от плотины. Видно, что в течение двух лет по мере заглубления фильтрационного потока в толщу массива осадки всех марок уменьшаются.
Динамика осадок марок по обоим берегам в верхнем бьефе СШГЭС
|
Номер марки, берег |
Расстояние от напорной грани, м |
1986 г. УВБ 521 м |
1987 г. УВБ 531 м |
1988 г. УВБ 527 м |
|
1, левый |
1600 |
-17,2 |
-14,6 |
-4,2 |
|
2, левый |
850 |
-10,1 |
-6,4 |
+2,9 |
|
3, левый |
0 |
-8,0 |
-5,6 |
+3,0 |
|
7, правый |
1750 |
-15,3 |
-14,0 |
-9,0 |
|
8, правый |
1150 |
-16,2 |
-14,2 |
-9,8 |
|
9, правый |
70 |
-9,9 |
-8,5 |
-5,5 |
Развивающийся в горных породах процесс фильтрации «доставляет» гидростатический напор из верхнего бьефа в глубинные зоны массива и распределяет этот напор по массиву в соответствии с особенностями изменения его проницаемости. Например, плотины Братской и Усть-Илимской ГЭС покоятся на слое слабопроницаемых диабазов, подстилаемых сильнопроницаемыми породами. Здесь диабазы выступают в роли естественного понура, в толще которого формируются значительные вертикальные УФ-силы ΔFz. Не случайно измеренные осадки этих плотин большие: 75 и 60 мм соответственно.
В первый период эксплуатации водохранилища нисходящие линии тока в фильтрующем массиве постепенно искривляются в горизонтальном направлении. Появляются горизонтальные компоненты фильтрационных сил ΔFx и ΔFy, отчего их вертикальная нисходящая компонента ΔFZ уменьшается.
В процессе развития фильтрационного потока сумма вертикальных сил Р = (ΔFп+ |ΔFz|) обусловливает вертикальные перемещения основания и прилегающей территории. Появление восходящих УФ-сил ΔFz в нижнем бьефе гидроузла уменьшает начальную осадку прилегающей территории, как это наблюдалось, например, на Красноярской ГЭС.
Изменение осадок территории, прилегающей к водохранилищу Красноярской ГЭС, в период с 1970 по 1987 г.
|
Бьеф |
Номера геодезических знаков/расстояние от береговой линии, м |
1970 г. |
1987 г. |
|
Верхний бьеф. |
5/400 |
-7,4 |
-3,1 |
|
Расстояние от створа |
4/700 |
-5,0 |
-0,4 |
|
450 м |
3/950 |
-5,5 |
-0,1 |
|
Нижний бьеф. |
9/350 |
-2,1 |
+2,1 |
|
Расстояние от створа |
8/800 |
-0,5 |
+3,8 |
|
1000 м |
7/1150 |
-0,6 |
+6,0 |
Слагаемые сил |ΔFx| обусловливают горизонтальные деформации основания плотины по оси х вдоль русла реки; слагаемые сил |ΔFy| обусловливают горизонтальные смещения береговых массивов в поперечном относительно русла реки направлении.
Из выражения выше легко получить, рекомендуемое СНиПом для нахождения эквивалентной по формированию осадок поверхностной силы Р, распределенной по ложу водохранилища;
P=P0(1-α2.f)
где α2.f— коэффициент противодавления
следует, что истинный смысл коэффициента α2.f— энергетический, он определяет собою долю сформировавшихся в массиве основания горизонтальных УФ-сил от полной гидростатической нагрузки на ложе водохранилища. Например, на разных стадиях наполнения водохранилища СШГЭС значение коэффициента α2.f изменялось в пределах 0,54—0,79. Поэтому только часть сконцентрированного в ВБ напора расходуется на обеспечение осадок основания плотины. Остальная часть напора ВБ в течение продолжительного времени расходуется на формирование различно ориентированных в пространстве УФ-сил и, соответственно, на обеспечение горизонтальных перемещений массива основания и берегов.
На рисунке ниже приводится результат расчета деформации большого контура фильтрующего скального основания и перемещений контакта "бетон—скала" бетонной гравитационной плотины без учета и с учетом Действия УФ-сил в большой области основания. Прототипом модели послужила плотина Красноярской ГЭС. Видна принципиальная разница в положениях поверхности контакта плотины с основанием. С учетом УФ-сил осадка первого столба плотины уменьшается на 24 мм, а смещение контакта в сторону НБ увеличивается на 28 мм.
Деформация контура фильтрующего основания и перемещение контакта «бетон—скала» гравитационной плотины при создании в ВБ напора 100 м: размеры контура 800 х 400 м
а — совместное действие веса плотины, давления на напорную грань и действия веса водохранилища по его лоту; б— совместное действие веса плотины, давления на напорную грань и УФ-сил
Свойство формирующегося фильтрационного потока уменьшать большую начальную осадку основания за счет «ухода» части гидростатического напора в верхнем бьефе в глубокие горизонты массива необходимо учитывать в процессе сезонного наполнения водохранилища. При быстром наполнении водохранилища основная часть упругой деформации массива локализуется вблизи его поверхности и тем самым обеспечивается большая осадка основания плотины. Для смягчения этого явления необходимо по возможности медленно наполнять водохранилище. При медленном нагружении ложа водохранилища фильтрационный поток и УФ-силы успевают сформироваться в массиве основания и «унести» в глубокие горизонты значительную часть поверхностных деформаций.
Форма зависимости осадки основания от скорости наполнения водохранилища до НПУ
v1>v2>v3
После быстрого наполнения водохранилища нагруженный по поверхности массив начинает отдавать часть полученной большой начальной осадки за счет формирующегося фильтрационного потока. Эта особенность объясняет наблюдавшееся запаздывание горизонтальных перемещений плотины Красноярской ГЭС на изменение уровня ВВ. При наполнении водохранилища с интенсивностью 0,15 м/сут приращение перемещений русловых секций на каждый метр напора в ВБ составляет 0,13 мм/м. При интенсивности наполнения 0,07 м/сут горизонтальное перемещение секций составляет 0,25 мм/м. Когда скорость наполнения водохранилища велика (0,3—0,5 м/сут), то после стабилизации уровня ВБ плотина еще в течение нескольких суток продолжает испытывать линейные и угловые перемещения в сторожу НБ. Существенное отставание реакции основания на изменение положения УВБ обнаружено также при анализе наклонов Плотины СШГЭС на отметках 308—315 м.
Таким образом, темп наполнения водохранилища необходимо Назначать, сообразуясь с возможной интенсивностью развития фильтрационного потока в основании и берегах. Если наполнение происходит очень быстро, то увеличивающийся напор будет максимально «осаживать» ложе водохранилища. Если интенсивность наполнения водохранилища (скорость приложения поверхностной нагрузки) будет соответствовать скорости пропитки массива водой высокого напора, то на момент выхода уровня ВБ на НПУ осадка ложа водохранилища будет минимальной, а горизонтальные перемещения максимальными. Точно так же, только в обратном порядке, реагирует массив основания при сработке водохранилища. Эта особенность фильтрующего массива объясняет запаздывание перемещений высок плотин на изменение уровня верхнего бьефа.