Новочеркасск, Ростовская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 70.17 Водохозяйственное строительство. Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 38 Строительство
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Строительство первого крупного водохранилища на Крымском полуострове севернее населенного пункта Базарчик (ныне Почтовое) на балке Базар-Джилга, впадающей в р. Альма (длина 87,8 км, площадь водосбора 635 км2), было осуществлено в 1925 г. по проекту областного управления водного хозяйства. Объем водохранилища, получившего наименование Альминское (Базар-Джилга), составлял 1,7 млн. м3, что позволило оросить 1,8 тыс. га земель. В 1927 г. на Крымском полуострове произошло два катастрофических землетрясения (июньское и сентябрьское) с магнитудами 6,0 и 6,8. В 1934 г. сдали в эксплуатацию реконструируемый комплекс ГТС Альминского водохранилища. Объем водохранилища составил 6,0 млн. м3; высота грунтовой плотины – 20,2 м; длина плотины – 220 м; ширина по гребню 7,45 м. В 1974 – 1976 гг. была проведена реконструкция комплекса ГТС Альминского водохранилища. За период эксплуатации Альминского водохранилища нормы сейсмического строительства в СССР и Российской Федерации изменялись 11 раз. В работе рассмотрены вопросы сейсмоустойчивости грунтовой плотины Альминского водохранилища в соответствии с требованиями СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах», в котором приведены критериальные условия и для эксплуатируемых гидротехнических сооружений.
Грунтовая плотина, земляные откосы, водохранилище, сейсмоустойчивость, безопасность
Введение. Альминское водохранилище расположено в предгорной зоне Крыма. Климат характеризуется мягкой зимой, засушливый, очень теплый. Зима здесь влажная, лето засушливое [3, 5, 10, 15].
Водосборная площадь бассейна до створа гидроузла составляет 300 км2. Питание реки Альма – снеговое, дождевое. Среднемноголетний объем годового стока составляет 40,0 млн. м3, за половодье (весна) – 3,5 млн. м3. Максимальный расчетный расход воды через сооружения гидроузла – 3,0 м3/с. Донный водовыпуск совмещенный с водозабором имеет расход при пропуске расчетного расхода 0,9 м3/с [10, 15].
Альминское водохранилище расположено в гидрогеологической области Горного Крыма. Основными водоносными горизонтами здесь являются горизонты четвертичных аллювиальных и верхнегорских отложений. Четвертичные аллювиальные отложения представлены, в основном, валунно-щебенистыми и гравийно-галечниковыми отложениями.
Грунтовая плотина Альминского водохранилища (рис. 1 – 3) сложена из суглинка с включениями гравия и включает противофильтрационные конструкции (зуб в основании; противофильтрационный экран в виде призмы из грунта на напорном откосе) [3, 8 – 10].
В государственных строительных нормах прописаны правила для строительства сооружений в сейсмоопасных районах. Особое место отводится строительству гидротехнических сооружений в сейсмоактивных территориях [1, 2, 3, 10, 14].
Рис. 1. Поперечный профиль плотины Альминского водохранилища
Рис. 2. Вид на плотину со стороны верхнего бьефа
Цель исследования – произвести обоснование сейсмоустойчивости длительно эксплуатируемой грунтовой плотины Альминского водохранилища.
Методы и материалы. Устойчивость откосов грунтовой плотины была проверена по возможным поверхностям сдвига с нахождением наиболее опасной призмы обрушения, характеризуемой минимальным отношением обобщенных предельных реактивных сил сопротивления к активным сдвигающим силам.
Критерием устойчивости откосов плотины является соблюдение (для наиболее опасной призмы обрушения) неравенства:
где F – расчетное значение обобщенного силового воздействия, определяемого с учетом коэффициента надежности по нагрузке 
(в зависимости от метода расчета устойчивости откосов F – равнодействующая сил или моментов этих сил относительно оси поверхности сдвига);
R – расчетное значение обобщенной несущей способности системы сооружение-основание, определяемое с учетом коэффициента безопасности по грунту 
т.е. обобщенное расчетное значение сил предельного сопротивления сдвигу по рассматриваемой поверхности;
– коэффициенты соответственно условий работы, ответственности сооружения, сочетания нагрузок.
Рис. 3. Гребень грунтовой плотины Альминского водохранилища
При поиске опасной поверхности сдвига использована зависимость для коэффициента устойчивости KS в виде:
Числовые значения коэффициентов 
приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1 – Числовые значения коэффициента 
|
Класс сооружения |
I |
II |
III |
IV |
|
Значение |
1,25 |
1,20 |
1,15 |
1,10 |
Таблица 2 – Числовые значения коэффициента 
|
Сочетание нагрузок |
Основное |
Особое |
Строительного периода |
|
Значение |
1,00 |
0,90 |
0,95 |
Величина коэффициента 
принимается в зависимости от используемого способа расчета, равной 0,95 – инженерные методы расчета, 1,00 – с учетом напряженно-деформированного состояния. Для сооружений IV класса при особом сочетании нагрузок KS ≥ 1,0 независимо от величины 
. Таким образом, критериальное значение коэффициента устойчивости для сооружений I класса при основном сочетании нагрузок составляет KS1 = 1,32, при особом сочетании нагрузок КS2 = 1,18.
Результаты и обсуждение. Землетрясения на Крымском полуострове достаточно частые явления и описаны в научной литературе за период с 63 г. до н.э. до современного периода [4, 6]. В табл. 3 приведены сведения о сильных землетрясениях, имевших место в Крыму в XIX веке.
Таблица 3 – Сильные землетрясения, имевшие место в Крыму в XIX веке
|
Время |
Место |
Балльность землетрясения по MSK-64 |
|
1938 (23 января) |
Южный берег Крыма (ЮБК) |
7 |
|
1869 (11 октября) |
Судак |
7 |
|
1872 (апрель) |
Феодосия |
6 – 7 |
|
1873 |
Бахчисарай |
7 |
|
1875 (25 июля) |
Севастополь |
7 |
Наиболее значительные землетрясения на Крымском полуострове произошли в 1927 г.
26 июня 1927 г. произошло землетрясение с эпицентром на дне Черного моря. На участке между Ялтой и Алуштой сила его составила 7 баллов. Разрушений было немного, погибших не было [4, 6]. Сейсмологи считают июньское землетрясение в Крыму форшоком события 11 сентября 1927 г.
Максимальное разрушительное 9-балльное землетрясение в Крыму произошло в ночь с 11 на 12 сентября 1927 г. Сила землетрясения в районе Ялты составила 8 баллов; в Севастополе, Симферополе и Алуште – 7 баллов; в Феодосии и Евпатории – 6 баллов; в Керчи – 5 баллов; в Новороссийске и Ростове – 4 балла. В период землетрясения погибло 16 человек, 830 было ранено, в том числе 375 тяжело.
В Ялтинском районе осталось без крова более половины населения. Землетрясение принесло очень существенные убытки для экономики региона и населения (до 50 млн. рублей в ценах того периода) [4, 5, 6].
Однако описания воздействия землетрясения 11 сентября 1927 г. на гидротехнические сооружения Крыма отсутствуют. Девятибалльное землетрясение 1 сентября 1923 г., произошедшее в Японии, в результате которого погибло 91 тыс. 344 человек, было ранено 65 тыс. 350 человек, а число пострадавших зданий и сооружений составило 176 тыс. 442 единицы, хорошо освещено в научной литературе [13].
В работе [13] приведены подробные исследования воздействия землетрясения в Токио на плотины, водохранилища, насосные станции, резервуары и другие гидротехнические сооружения.
В табл. 4 приведены сведения о сильных землетрясениях, имевших место в Крыму после 1927 г.
Таблица 4 – Сильные землетрясения, имевшие место в Крыму после 1927 г.
|
Время |
Место |
Балльность землетрясения по MSK-64 |
|
1949 г. (30 августа) |
Ялта, ЮБК |
6 |
|
1957 (18 марта) |
Севастополь |
6 |
|
1966 г. (12 июня) |
Анапа, Новороссийск, Восточный Крым |
6 – 7 |
|
1972 (6 августа) |
Севастополь |
6 |
Первое в Крыму водохранилище – Альминское было построено по проекту Крымводхоза в балке Базар-Джилга, заполняется водами реки Альма по каналу длиной 5 км и функционирует уже более 90 лет. При обследованиях в 2015-2017 гг. выполнялись инструментальные и визуальные исследования, которыми устанавливалось состояние основных ГТС Альминского водохранилища. Был выполнен автоматизированный численный расчет устойчивости откосов плотины Альминского водохранилища по программе «Расчет устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения» с учетом кривой депрессии в теле сооружения для основного и особого случая нагрузок (с учетом сейсмичности района расположения ГТС) [7-12, 14, 16].
Программа расчета устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения разработана для расчета земляных откосов произвольной конфигурации.
Коэффициент запаса устойчивости откоса определяется по следующим трем методам расчета: Метод Г. Крея (иначе – метод А.В. Бишопа), метод профессора К. Терцаги, метод «Весового давления» (метод профессора Р.Р. Чугаева).
Программа позволяет:
1. Определить область центров и радиусы, рекомендуемые по методу В.В. Аристовского.
2. Задать необходимое для расчета количество центров поверхностей скольжения и радиусов.
3. Определить наиболее опасную поверхность в автоматизированном режиме расчета.
4. Выполнить расчет откоса с учетом действия сейсмических сил.
Исходными материалами для расчетов являлись:
- принятый поперечный профиль плотины;
- физико-механические свойства грунтов, слагающих тело и основание плотины ;
- действующие нагрузки для основного (при НПУ) и особого (при ФПУ) случаев нагрузки;
- положение кривой депрессии в теле сооружения, полученное по результатам фильтрационных расчетов;
- сейсмичность района расположения ГТС;
- нормативное значение коэффициента запаса устойчивости при основном случае нагрузок Ks1 = 1,32, при особом – Ks2 = 1,18.
Результаты расчетов по определению коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины Альминского водохранилища приведены в табл. 5 и 6, расчетные схемы были сделаны для всех вариантов, но в статье для примера показана одна (рис. 4).
Таблица 5 – Результаты расчета по определению коэффициента запаса устойчивости Альминского водохранилища
|
Метод расчета |
Кs. min |
R, м |
Хо, м |
Yо, м |
|
Верховой откос для основного случая нагрузок |
||||
|
Г. Крея |
1,445 |
52,11 |
43,64 |
111,93 |
|
К. Терцаги |
1,349 |
55,22 |
41,64 |
112,04 |
|
Верховой откос для особого случая нагрузок |
||||
|
Г. Крея |
1,434 |
52,11 |
43,64 |
111,93 |
|
К. Терцаги |
1,339 |
55,22 |
41,64 |
112,04 |
|
Весового давления |
1,432 |
55,22 |
41,64 |
112,04 |
|
Низовой откос для основного случая нагрузок |
||||
|
Г. Крея |
1,553 |
59,93 |
41,00 |
117,39 |
|
К. Терцаги |
1,443 |
59,80 |
41,00 |
116,75 |
|
Весового давления |
1,537 |
60,15 |
40,99 |
117,04 |
|
Низовой откос для особого случая нагрузок |
||||
|
Г. Крея |
1,542 |
59,93 |
41,00 |
117,39 |
|
К. Терцаги |
1,433 |
59,80 |
41,00 |
116,75 |
|
Весового давления |
1,526 |
60,15 |
40,99 |
117,04 |
Таблица 6 – Сводная таблица полученных коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины Альминского водохранилища с учетом расчетной сейсмичности
|
Метод расчета |
Значение коэффициента запаса устойчивости Кs. min |
|
Верховой откос (основной случай нагрузки) |
|
|
Г. Крея |
1,445 |
|
К. Терцаги |
1,349 |
|
Весового давления |
1,442 |
|
Верховой откос (особый случай нагрузки) |
|
|
Г. Крея |
1,434 |
|
К. Терцаги |
1,339 |
|
Весового давления |
1,432 |
|
Низовой откос (основной случай нагрузки) |
|
|
Г. Крея |
1,553 |
|
К. Терцаги |
1,443 |
|
Весового давления |
1,537 |
|
Низовой откос (особый случай нагрузки) |
|
|
Г. Крея |
1,542 |
|
К. Терцаги |
1,433 |
|
Весового давления |
1,526 |
Выводы по работе.
1. Длительно эксплуатируемый комплекс гидротехнических сооружений Альминского водохранилища относится к объектам чрезвычайно высокой опасности (I класс) и находится под постоянным государственным надзором Крымского управления Ростехнадзора.
Для повышения безопасности комплекса ГТС Альминского водохранилища в соотвествии с требованиями п. 8.6 СП 14.13330.2018 на нем должен быть организован геодинамический мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтовой плотины, деформационных процессов, происходящих в сооружении, основании, береговых примыканиях, а также в районе водохранилища.
2. Из результатов натурных исследований комплекса ГТС и расчетов устойчивости следует, что устойчивость откосов грунтовой плотины Альминского водохранилища с учетом положения расчетной кривой депрессии и сейсмичности района расположения ГТС как при НПУ, так и при ФПУ обеспечена.
Рис. 4. Расчетная схема к определению коэффициента запаса устойчивости верхового откоса плотины Альминского водохранилища для особого случая нагрузок
3. Для повышения надежности комплекса ГТС Альминского водохранилища службе эксплуатации рекомендуется автоматизировать диагностический контроль фильтрационного режима грунтовой плотины.
4. Общее техническое состояние комплекса ГТС Альминского водохранилища по результатам натурных инструментальных исследований, визуальных наблюдений и численных расчетов оценивается как удовлетворительное.
1. СП 14.13330.2018. Строительство в сейсмических районах. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*: взамен СП 14.13330.2014: дата введения 2018-11-25. - URL: http://docs.cntd.ru/document/550565571 (дата обращение 25.12.2019).
2. ГОСТ Р 57546-2017. Землетрясения. Шкала сейсмической интенсивности: введ. впервые: дата введения 2017-09-01. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200146265 (дата обращение 25.12.2019).
3. Волосухин, Я.В. Обеспечение безопасности водопользования в Республике Крым / Я.В. Волосухин, Д.Ю. Наволокин // Водоснабжение и санитарная техника. - 2017. - № 6. - С. 4 - 9.
4. Землетрясения в Крыму: история и сейсмическая активность в настоящее время. - URL: https://vplate.ru/krym/zemletryaseniya/ (дата обращение 25.12.2019).
5. Альминская впадина. - URL: https://scicenter.online/geologiya-sssr-scicenter/alminskaya-vpadina-164297.html (дата обращение 25.12.2019).
6. Крымские землетрясения. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращение 25.12.2019).
7. Розанов, Н.Н. Плотины из грунтовых материалов / Н.Н. Розанов. - М.: Стройиздат, 1983. - 296 с.
8. Измерение геометрических параметров плотины Альминского водохранилища геодезическим методом. Отчет о комплексных инженерных изысканиях. Часть I. Инженерно-геодезические изыскания / ИП Андросов А.Ю. - Ростов-на-Дону, 2017.
9. Декларация безопасности гидротехнических сооружений Альминского водохранилища / ОАО «Севкагипроводхоз». - Симферополь, 2016.
10. Технический отчет по результатам комплексного анализа (многофакторного обследования) с оценкой прочности, устойчивости и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений Альминского гидроузла / Я.В. Волосухин; ИКЦ «Безопасность ГТС». - Новочеркасск, 2017. - 108 с.
11. П 71-2000 ВНИИГ. Рекомендации по диагностическому контролю фильтрационного режима грунтовых плотин: введ. впервые: дата введения III кв. 2000. - URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293812/4293812286.pdf (дата обращение 25.12.2019).
12. П 72-2000 ВНИИГ. Рекомендации по проведению визуальных наблюдений и обследований на грунтовых плотинах: введ. впервые: дата введения III кв. 2000. - URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293812/4293812137.pdf (дата обращение 25.12.2019).
13. Цшохер, В.О. Антисейсмическое строительство / В.О. Цшохер, В.А. Быховский. - М.: Строительство, 1937. - 344 с.
14. Марчук, А.И. Степень надежности больших плотин при повышении нормативной сейсмичности / А.И. Марчук // Гидротехника XXI век. - 2018. - № 12. - С. 22 - 25.
15. Иванкова, Т.В. Гидроэкологическая безопасность водопользования в бассейне малой реки Альмы Республики Крым: монография / Т.В. Иванкова. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮНЦ РАН, 2019. - 64 с.
16. Стефанишин, Д.В. Некоторые теоретические аспекты оценки старения гидротехнических сооружений / Д.В. Стефанишин // Гидротехническое строительство. - 1996. - № 9. - С. 21 - 24.
