Stateczność zapory Czaniec przy uwzględnieniu wykonywanej przesłony antyfiltracyjnej, 0.Budownictwo, 7. ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
XIII Konferencja Naukowa - Korbielów ‘2001
“Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji
Hydrotechnicznych”
Stateczność zapory Czaniec przy
uwzględnieniu wykonywanej przesłony antyfiltracyjnej
Janusz M. Dłużewski
1
Antoni Tomaszewicz
2
Krzysztof Ciuhak
3
Władysław Jankowski
3
1. WSTĘP
W pracy przedstawiono wyniki symulacji numerycznych obejmujące analizę zapory
ziemnej czołowej zbiornika Czaniec. Analizowano współpracę zapory z podłożem
gruntowym w kolejnych etapach pracy zbiornika. Do analizy numerycznej wykorzystano
sprężysto-plastyczne modele gruntu bazujące na warunku plastyczności Coulomba - Mohra
i niestowarzyszonym prawie płynięcia. Do modelowania sprężysto-plastycznego
zachowania się zapory wraz z podłożem zastosowano procedurę pseudo-lepkiej iteracji,
wykorzystującą teorię lepkoplastyczności Perzyny [6]. Sformułowanie to zastosowane było
po raz pierwszy przez Cormeau i Zienkiewicza [7] do rozwiązywania zagadnień sprężysto-
plastycznych.
Do analizy problemów stateczności zastosowano procedurę c- redukcji zaaplikowaną
w programie HYDRO-GEO [1]. Symulację numeryczną utraty stateczności zapory
wykonano dla dwóch wariantów jej pracy: pierwszego przed wybudowaniem przesłony
antyfiltracyjnej i drugiego po jej wykonaniu. Porównano otrzymane mechanizmy
zniszczenia i współczynniki bezpieczeństwa.
2. OPIS OBIEKTU I PODŁOŻA
Zapora zbiornika Czaniec jest usytuowana na rzece Sole w km 28.75. Zbiornik
Czaniec ma powierzchnię około 43 ha. Pracuje on w kaskadzie z wyżej położonymi
zbiornikami Porąbka i Tresna. Budowę zbiornika rozpoczęto w 1962 roku, a eksploatację
rozpoczęto w 1967 roku. Obiektami piętrzącymi wodę do wysokości 4.5 m są zapory
boczne i zapora czołowa. Skarpa odpowietrzna zapory czołowej oraz partie zapór bocznych
o najwyższej wysokości zostały dociążone nasypem w latach 1983-86. Zapora czołowa jest
przedzielona przelewem na jazie o podwyższonym progu o trzech przęsłach z zamknięciami
(klapy powłokowe). Zbiornik i zapora są zakwalifikowane do klasy 2.
____________________________________________________________________
1)
prof. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lądowej - Politechnika Warszawska
2)
dr, Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór - Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa
3)
mgr inż., Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór - Inst. Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa
 Zaporę czołową i boczne zbudowano z miejscowego materiału aluwialnego:
otoczaków piaskowca, żwirów i piasków o różnym stopniu zaglinienia. Głównym zadaniem,
jakie spełnia zbiornik, jest wyrównywanie odpływów pracującej szczytowo elektrowni
Porąbka, a także ujęcie wody dla potrzeb przemysłu, gospodarki komunalnej miasta
Bielska-Białej i aglomeracji śląskiej.
Podstawowe parametry zapory:
Długość zapory czołowej 560 m,
Długość zapór bocznych 2500 m,
Wysokość maksymalna 6.50 m,
Szerokość zapory czołowej w koronie 7.0 m,
Nachylenie skarp: odwodnej 1:2.5, odpowietrznej 1:2,
Rzędna korony 299.50 m n.p.m.
Rzędna piętrzenia dopuszczalnego 298.00 m n.p.m.
Maksymalna rzędna nasypu dociążającego 296.50 m n.p.m.
Podczas przeprowadzonych w ostatnich latach obserwacji i ocen stanu technicznego
zbiornika stwierdzono nadmierną filtrację pod zaporą oraz procesy sufozji [3,4,5]. Aby
zapobiec niekorzystnym zjawiskom rozpoczęto w roku 2000 budowę przesłony
antyfiltracyjnej, której zakończenie planowane jest na rok 2001. Przesłona dochodząca do
warstwy praktycznie nieprzepuszczalnej, wykonywana jest metodą traconego stożka.
Zastosowano zaczyn iniekcyjny wodno-cementowy z dodatkami (Sika, Mixbet, soda).
Podłoże
. Zapora czołowa jest posadowiona bezpośrednio na utworach aluwialnych:
żwiry i piaski z otoczakami, zaglinione. Około 7.00 m głębiej znajduje się strop podłoża
praktycznie nieprzepuszczalnego mającego miąższość ok. 3 m, utworzonego przez
otoczaki, rumosz i gliny pylaste. Pod nim zalegają łupkowate skały fliszu karpackiego - iły
piaszczyste. Na rysunku 1 pokazany jest przekrój poprzeczny przez zaporę z zaznaczonymi
strefami materiałowymi.
Rys.1. Przekrój przez zaporę i podłoże dla wariantu II - po wykonaniu przesłony.
Numeracja stref materiałowych zgodna z tabelą 1.
3. PARAMETRY MATERIAŁOWE
Zestawienie wartości liczbowych parametrów charakteryzujących zaporę i podłoże
przytoczono w tabeli 1. Przyjęto następujące oznaczenia: E - moduł Younga (sprężystości
podłużnej),  - współczynnik Poissona,  - ciężar objętościowy, c - spójność,  - kąt
tarcia wewnętrznego, c
F
- spójność zmniejszana w procedurze c- redukcji, 
F
- kąt tarcia
wewnętrznego zmniejszany w procedurze c- redukcji.
Tabela 1
Nr
Strefa
materiałowa
E
[kPa]
 
[kN/
m
3
]
c
[kPa]




c
F
[kPa]

F



1 żwiry + otoczaki+piaski
nad poziomem wody
120 000 0.2 20.0 2 38 0.88 19.1
2
nasyp dociążający
żwiry + otoczaki+piaski
nad poziomem wody
120 000 0.2 20.0 2 38 0.88 19.1
3 żwiry + otoczaki+piaski
pod poziomem wody
120 000 0.2 20.0 2 38 0.88 19.1
4
fartuch iłowy
30 000 0.3 19.5 80 40 - -
5 otoczaki+rumosz+glina
pylasta podłoże
nieprzepuszczalne
180 000 0.2 22.0 8 30 - -
6
ił piaszczysty
podłoże fliszowe
70 000 0.35 21.0 40 17 - -
7 drenaż 21 700 0.3 19.5 12 42 - -
8 przesłona antyfiltracyjna 500 000 0.25 21.0 200 42 - -
Numeracja materiałów podanych w tabeli odpowiada numeracji przedstawionej na
rysunku. 1.
4. OBLICZENIA NUMERYCZNE
Przygotowanie modelu numerycznego wymaga skompletowania wielu informacji
dotyczących korpusu budowli, podłoża i jego układu warstw, parametrów materiałowych
opisujących cechy fizyczne gruntów, jak też właściwej oceny obciążeń działających na
obiekt.
Do dyskretyzacji badanego obszaru wykorzystano program “SIATKA” [2],
opracowany w Ośrodku Technicznej Kontroli Zapór IMGW, będący preprocesorem
programu HYDRO-GEO. Siatkę elementów zaprojektowano tak, można było wykonać
obliczenia w dwóch wariantach: przed i po wykonaniu przesłony. Zastosowano elementy
trójkątne sześciowęzłowe. Wygenerowana siatka zawiera 792 elementy i 1675 węzłów.
Obliczenia zostały przeprowadzone dla parametrów materiałowych podanych w Tabeli
1 dla 4-ch etapów budowy modelu w dwóch wariantach.
ETAP 1. Do podłoża wprowadzono naprężenia początkowe
wynikające z ciężaru
zalegających warstw gruntowych, doprowadzając do stanu wyjściowego przed
rozpoczęciem budowy zapory. Rozkład obliczonych naprężeń jest ważnym testem
poprawności budowanego modelu.
ETAP 2. Wzniesiono na podłożu zaporę poprzez dołożenie elementów. W tym
schemacie obciążenie stanowił ciężar dokładanych elementów. W wariancie I maksymalne
przemieszczenie wyniosło 19.8 mm, a w wariancie II 18.8 mm. Na rysunku 2
przedstawiono deformację siatki dla wariantu II.
Rys.2. Wariant II - schemat deformacji siatki po wybudowaniu zapory. Maksymalne
przemieszczenie wypadkowe wynosi 18.8 mm.
ETAP 3. Przyłożono obciążenia wynikające z piętrzenia wody w zbiorniku.
Wariant I. Maksymalne przemieszczenie wypadkowe wynosi 20.2 mm.
Wariant II. Przemieszczenia wypadkowe w formie izolinii pokazane są na rysunku 3.
Maksymalne przemieszczenie wyniosło 19.1 mm.
Rys.3. Wariant II - przemieszczenia wypadkowe po spiętrzeniu wody w zbiorniku. Izolinie
kreślone co 1 mm.
ETAP 4. Do badania stateczności zastosowano procedurę c- redukcji. Do analizy
przyjęto procedurę przyrostowo-iteracyjną pozwalającą uchwycić moment zniszczenia
budowli.
Procedura c- redukcji polega na sukcesywnym zmniejszaniu, w kolejnych iteracjach,
wartości liczbowych parametrów materiałowych: spójności - c i tangensa kąta tarcia
wewnętrznego - tgz zachowaniem ich stosunku F = c/c
F
= tg/tg
F
, który określa
współczynnik bezpieczeństwa, gdzie c
F
i 
F
oznaczają spójność i kąt tarcia wewnętrznego w
“chwili” utraty stateczności budowli albo budowli wraz z częścią podłoża.
Procedurę c- redukcji przeprowadzono dla wybranych stref materiałowych (materiały
1, 2, 3, 8, tabela 1). Rezultatem obliczeń było określenie współczynnika bezpieczeństwa z
dokładnością do dwóch miejsc po przecinku. Otrzymano mechanizmy zniszczenia budowli.
W wyniku przeprowadzonych obliczeń uzyskano dla obu wariantów współczynniki
stateczności równe 2.25. Wartości parametrów materiałowych c
F
i 
F
, przy których na
modelu inicjuje się mechanizm zniszczenia, podane są w Tabeli 1. Na siatce zdeformowanej
(rysunek 4) uchwycono moment zniszczenia budowli. Wystąpił tu zsuw skarpowy od strony
odpowietrznej. Na rysunku 5 zagęszczone izolinie lokalizują powierzchnię poślizgu.
Rys. 4. Wariant II - schemat deformacji w chwili zniszczenia wskutek osłabiania
parametrów materiałowych automatyczną procedurą c- redukcji. Uzyskano współczynnik
stateczności F=2.25 przy napełnionym zbiorniku do 298.20 m n.p.m.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]