Совершенствование противофильтрационного устройства грунтовой плотины в составе бетонного экранаи «стены в грунте»

Введение.

В условиях, когда каменно-набросная плотина с бетонным экраном возводится на нескальном основании, ее противофильтрационное устройство (ПФУ) дополняют «стеной в грунте» и понуром. Все вместе они образуют сложное составное ПФУ. В связи с тем, что по опыту эксплуатации ряда плотин бетонный экран и «стена в грунте» могут находиться в неблагоприятном напряженном состоянии, актуальным является вопрос о работоспособности и составного ПФУ.

Материалы и методы.

Исследование осуществлялось на примере реальной каменно-набросной плотины Miaojiaba с составным ПФУ. Эта плотина имеет высоту 111 м и длину 348 м, в русловой части она расположена на нескальных грунтах толщиной около 45 м. Изучение пространственного напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины проводилось с помощью численного моделирования методом конечных элементов. Данные натурных измерений перемещений плотины были использованы для калибровки конечно-элементной модели.

Результаты.

Расчеты НДС плотины выполнялись для двух вариантов конструкции составного ПФУ. В первом варианте все элементы устройства (экран, стена, понур) состоят из бетона. По результатам расчетов в «стене в грунте» возникают сжимающие и растягивающие напряжения, которые превышают прочность бетона. Кроме того, стена отрывается от основания. Во втором варианте «стена в грунте» реализуется из глиноцементобетона. По результатам расчетов в этом варианте обеспечивается прочность всех составляющих противофильтрационное устройство элементов.

Выводы.

Для обеспечения прочности ПФУ, состоящего из бетонного экрана, «стены в грунте» и соединительного понура, рекомендуется выполнять стену и понур из менее жестких материалов.

1. Fu Z., Chen S., Ji E. Practices in constructing high rockfill dams on thick overburden layers // Dam Engineering. 2019. Pp. 1-21. DOI: 10.5772/intechopen.78547

2. Gan L., Shen Z.Z., Xu L.Q. Long-term deformation analysis of the Jiudianxia concrete-faced rockfill dam // Arabian Journal for Science and Engineering. 2012. Vol. 39. Issue 3. Pp. 1589-1598. DOI: 10.1007/s13369-013-0788-6

3. Haselsteiner R., Kaytan E., Pamuk R., Ceri V. Seepage control design of the Arkun dam in Turkey // International Journal on Hydropower and Dams. 2012. Vol. 19. Issue 1. Pp. 90-95.

4. Gavan J.H. The pre- and post-failure deformation behaviour of soil slopes. University of New South Wales, Sydney, Australia, 2003.

5. Kim Y.S., Kim B.T. Prediction of relative crest settlement of concrete-faced rockfill dams analyzed using an artificial neural network model // Computers and Geotechnics. 2008. Vol. 35. Issue 3. Pp. 313-322. DOI: 10.1016/j.compgeo.2007.09.006

6. Li M., Wang X., Xiong Z., Chen H. CFRD monitoring and its behavior analysis // Journal of Yangtze River Scientific Research Institute. 2001. Vol. 18. Issue 1. Pp. 45-48.

7. Li N.-H. Performance of high concrete face rockfill dams in China and its inspiration // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2011. Vol. 33. Issue 2. Pp. 166-173.

8. Lollino P., Cotecchia F., Zdravkovic L., Potts D.M. Numerical analysis and monitoring of Pappadai dam // Canadian Geotechnical Journal. 2011. Vol. 42. Issue 6. Pp. 1631-1643. DOI: 10.1139/t05-079

9. Shen Z., Xu L., Wang W. Earthquake response of Xieka concrete face rockfill dam by FEM // Earth and Space 2010. 2010. DOI: 10.1061/41096(366)47

10. Tang J., Ding B. Design of concrete face rockfill dam of the expansion project of Hengshan Reservoir // Journal on Water Power. 2002. Vol. 28. Issue 7. Pp. 35-37.

11. Wen L., Chai J., Xu Z., Qin Y., Li Y. A statistical review of the behaviour of concrete-face rockfill dams based on case histories // Géotechnique. 2017. Vol. 68. Issue 9. Pp. 749-771. DOI: 10.1680/jgeot.17.p.095

12. Wen L., Chai J., Xu Z., Qin Y., Li Y. A statistical analysis on concrete cut-off wall behaviour // Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 171. Issue 2. Pp. 160-173. DOI: 10.1680/jgeen.17.00142

13. Xu Z., Lu S. Design, construction and operation of China’s Jiudianxia CFRD // International Journal on Hydropower and Dams. 2011. Vol. 18. Issue 2. Pp. 21-27.

14. Haselsteiner R., Kaytan E., Pamuk R., Ceri V. Deformation prediction of a large CFSGD for first impoundment // International symposium on dams in a global environmental challenges. Bali, Indonesia, 2014.

15. Freitas M.S.J. Concepts on CFRDs leakage control - cases and current experiences // ISSMGE Bulletin. 2009. Vol. 3. Issue 4. Pp. 11-18.

16. Hu K., Chen J., Wang D. Shear stress analysis and crack prevention measures for a concrete-face rockfill dam, advanced construction of a first-stage face slab, and a first-stage face slab in advanced reservoir water storage // Advances in Civil Engineering. 2018. Issue 1. Pp. 1-10. DOI: 10.1155/2018/2951962

17. Johannesson P., Tohlang S.L. Lessons learned from Mohale // International Water Power & Dam Construction. 2007. Vol. 59. Issue 8. Pp. 16-25.

18. Li J.C. Gouhou dam and analysis for causes of the dam failure // Chinese Journal Geotechnical Engineering. 1994. Vol. 16. Issue 6. Pp. 1-14.

19. Ma H.Q., Cao K.M. Key technical problems of extra-high concrete faced rock-fill dam // Science in China Series E Technological Sciences. 2007. Vol. 50. Pp. 20-33. DOI: 10.1007/s11431-007-6007-5

20. Саинов М.П., Затонских М.А. Образование структурных трещин железобетонных экранов каменно-набросных плотин // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 10 (73). С. 16-27. DOI: 10.18720/CUBS.73.2

21. Arici Y. Investigation of the cracking of CFRD face plates // Computers and Geotechnics. 2011. Vol. 38. Issue 7. Pp. 905-916. DOI: 10.1016/j.compgeo.2011.06.004

22. Саинов М.П. Формирование и особенности напряженно-деформированного состояния бетонного экрана каменно-набросной плотины // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2020. № 87. DOI: 10.18720/CUBS.87.2

23. Саинов М.П. Влияние формы створа на напряженное состояние железобетонного экрана каменно-насыпной плотины // Инженерно-строительный журнал. 2016. № 3 (63). С. 16-39. DOI: 10.5862/MCE.63.2

24. Chen Q., Zhang L.M. Three-dimensional analysis of water infiltration into the Gouhou rockfill dam using saturated-unsaturated seepage theory // Canadian Geotechnical Journal. 2006. Vol. 43. Issue 5. Pp. 449-461. DOI: 10.1139/t06-011

25. Sainov M.P., Lubyanov V.V. Stress-strain state of seepage-control walls in foundations of embankment dams // Magazine of Civil Engineering. 2017. Issue 5. Pp. 96-112. DOI: 10.18720/MCE.73.9

26. Faridmehr I., YazdaniPour M-R., Jokar M-J., Ozbakkaloglu T. Construction and monitoring of cement/bentonite cutoff walls: case study of Karkheh Dam, Iran // Studia Geotechnica et Mechanica. 2019. Vol. 41. Issue 4. DOI: 10.2478/sgem-2019-0019

27. Wen L., Qin Y., Chai J., Li Y., Wang X., Xu Z. Behaviour of concrete-face rockfill dam on sand and gravel foundation // Proceedings of the ICE - Geotechnical Engineering. 2015. Vol. 168. Issue 5. Pp. 439-456. DOI: 10.1680/geng.14.00103

28. Wen L., Chai J., Xu Z., Qin Y., Li Y. Monitoring and numerical analysis of behaviour of Miaojiaba concrete-face rockfill dam built on river gravel foundation in China // Computers and Geotechnics. 2017. Vol. 85. Pp. 230-248. DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.12.018

29. Wen L., Chai J., Xu Z., Qin Y., Li Y.Comparative and numerical analyses of response of concrete cutoff walls of earthen dams on alluvium foundations // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2019. Vol. 145. Issue 10. P. 04019069. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002132

30. Sainov M.P. Analysis of normal operation of a rockfill dam with combination of seepage-control elements: reinforced concrete face and clay-cement-concrete wall // Magazine of Civil Engineering. 2016. Vol. 64. Issue 04. Pp. 3-9. DOI: 10.5862/MCE.64.1

31. Sainov M.P., Soroka V.В. Impact of foundation stiffness on the stress-strain state of the concrete face of a rockfill dam // Construction of Unique Buildings and Structures. 2021. Vol. 96. DOI: 10.4123/CUBS.96.4

32. Zhou X.-W., Gong B.-W., Ding H.-S., Rao X.-B. Large-scale simple shear test on mechanical properties of interface between concrete face and gravel underlayer // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2005. Vol. 27. Issue 8. Pp. 876-880.

33. Hou W.-J., Zhang G., Zhang J.-M. Behavior of interface between extrusion-sidewall and slab face of CFRD // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2008. Vol. 30. Issue 9. Pp. 1356-1360.

34. Shakir R.R., Zhu J.-G. Mechanical behavior of soil and concrete interface // SPIE Proceedings. 2008. DOI: 10.1117/12.839390

35. Саинов М.П. Авторская вычислительная программа для исследований напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин // Вестник Евразийской науки. 2020. № 3. URL: https://esj.today/PDF/77SAVN320.pdf