Определение рациональной формы поперечного сечения и предельной глубины заложения напорных гидротехнических туннелей без обделки

Размещено на http://www.allbest.ru

Определение рациональной формы поперечного сечения и предельной глубины заложения напорных гидротехнических туннелей без обделки

М.И. Фролов

Институт экономики и управления

Ю.А. Боев

Большой театр России

г. Москва, Россия

Определение наиболее рациональной формы поперечного сечения и предельной глубины заложения напорного гидротехнического туннеля без обделки проводились расчетным путем для различных видов нагрузок и воздействий, а также их сочетаний.

С помощью программы метода граничных элементов в форме фиктивных нагрузок определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса грунта для глубины заложения туннеля 100 м, являющейся границей между мелким и средним заложением.

Как следует из табл. 1, наиболее рациональной формой поперечного сечения (при которой достигается минимальное значение максимального растягивающего тангенциального напряжения - максимальная глубина заложения) является коробовая при h/b = 1,5 (у⁺_max = 1,463 МПа), а наименее рациональной - прямоугольная при h/b = 1,0 (у⁺_max = 1,785 МПа).

гидротехнический туннель напорный обделка

Таблица 1

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса грунта, формы и соотношения размеров поперечного сечения при глубине заложения H = 100 м

Глубину заложения напорного гидротехнического туннеля без обделки можно определить из следующего условия прочности

у⁺_max ? R_t, (1)

где у⁺_max - максимальное растягивающее тангенциальное напряжение.

Для нагрузки от собственного веса грунта предельную глубину заложения туннеля можно определить согласно (1) из следующего равенства

у⁺_max = R_t, (2)

откуда

H_max = R_t / г з⁺_max. (3)

Принимая для очень крепких скальных грунтов расчетное сопротивление растяжению R_t = 7,5 МПа, получаем следующий диапазон предельных глубин заложения: H_max = 420…513 м, что близко к верхней границе туннелей среднего заложения H ? 500 м.

Теперь определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса воды. Принимая г_w= 100 гН /м³ и диапазон пролета (диаметра) туннеля от 2 до 6 м, составим табл. 2 зависимости максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса воды, формы и размеров поперечного сечения.

Как следует из табл. 2, наиболее рациональной формой поперечного сечения является круговая (у⁺_max = 0,015…0,045 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 0,044…0,132 МПа).

Таблица 2

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса воды, формы и размеров поперечного сечения

Теперь определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического туннеля без обделки от внутреннего напора воды. Принимая p_w = 1…2 МПа, как например, для подводящего напорного туннеля без обделки Каунерталь (Австрия), составим табл. 3 зависимости максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру напорного гидротехнического туннеля без обделки от внутреннего напора воды, формы и соотношения размеров поперечного сечения.

Таблица 3

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру напорного гидротехнического туннеля без обделки от внутреннего напора воды, формы и соотношения размеров поперечного сечения

Как следует из табл. 3, наиболее рациональной формой поперечного сечения является круговая (у⁺_max = 1,0…2,0 МПа), а наименее рациональной - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 2,864…5,740 МПа).

Определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического туннеля без обделки от сейсмического воздействия продольной волны для расчетной сейсмичности в 7, 8 и 9 баллов.

Для очень крепких скальных грунтов (f = 15) при АК₁ = 0,1 (9 баллов) имеем: +(1/2р)АК₁гс₁T₀ = +1,21 МПа. Подсчитаем максимальные растягивающие тангенциальные напряжения по контуру гидротехнического туннеля без обделки при сейсмическом воздействии продольной волны от формы, соотношения размеров поперечного сечения и балльности. Результаты расчетов сведены в табл. 4.

Таблица 4

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки при сейсмическом воздействии продольной волны от формы, соотношения размеров поперечного сечения и балльности

Как следует из табл. 4, наиболее рациональной формой поперечного сечения является коробовая при h/b = 1,5 (у⁺_max = 0,164…0,656 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,0 (у⁺_max = 0,198…0,800 МПа).

Определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического туннеля без обделки от сейсмического воздействия поперечной волны для расчетной сейсмичности в 7, 8 и 9 баллов.

Для очень крепких грунтов (f = 15) при АК₁ = 0,1 (9 баллов) имеем: +(1/2р)АК₁гс₂T₀ = +0,74 МПа. Подсчитаем максимальные растягивающие тангенциальные напряжения по контуру гидротехнического туннеля без обделки при сейсмическом воздействии поперечной волны от формы, соотношения размеров поперечного сечения и балльности. Результаты расчетов сведены в табл. 5.

Как следует из табл. 5, наиболее рациональной формой поперечного сечения является круговая (у⁺_max = 0,368…1,470 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная при h/b = 1,0 и корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 0,662…2,647 МПа).

Теперь определим максимальное растягивающее тангенциальное напряжение по контуру гидротехнического напорного туннеля без обделки от сейсмического давления воды. Результаты расчетов сведены в табл. 6.

Как следует из табл. 6, наиболее рациональной формой поперечного сечения является круговая (у⁺_max = 0,025…0,100 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 0,072…0,287 МПа).

Таблица 5

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки при сейсмическом воздействии поперечной волны от формы, соотношения размеров поперечного сечения и балльности

Таблица 6

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от сейсмического давления воды, формы, соотношения размеров поперечного сечения и балльности

Теперь рассмотрим вопрос одновременного действия на напорный гидротехнический туннель без обделки нескольких нагрузок и воздействий. Рассмотрим два сочетания: с учетом и без учета сейсмического воздействия.

В первом случае будем рассматривать сочетание всех вышеуказанных нагрузок, кроме сейсмических, а именно: собственный вес грунта и воды в туннеле, а также внутренний напор.

Для этого необходимо сначала определить расчетные сечения обделки, в которых возникает наибольшее значение суммы максимальных тангенциальных растягивающих напряжений от указанных нагрузок и воздействий.

Как показали расчеты, влияние собственного веса воды по сравнению с другими нагрузками и воздействиями очень мало (менее 1 %), и потому им можно пренебречь.

Из таблицы 7 следует, что наиболее рациональной формой поперечного сечения является коробовая при h/b = 1,0 (у⁺_max = 1,900…2,204 МПа), а наименее рациональными - прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 2,796…4,582 МПа).

Пользуясь данными табл. 1 и 7, определим предельную глубину заложения напорного гидротехнического туннеля коробового сечения без обделки при h/b = 1,0 и b = 2 м, внутреннем напоре воды p_w = 1,0 МПа в сейсмически неактивном районе от коэффициента крепости скального грунта. Результаты расчетов сведены в табл. 8.

Таблица 7

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса грунта и воды, внутреннего напора, а также формы и соотношения размеров поперечного сечения при H = 100 м

Таблица 8

Зависимость предельной глубины заложения напорного гидротехнического туннеля без обделки коробового сечения при h/b = 1,0 и b = 2 м, внутреннем напоре воды p_w = 1,0 МПа в сейсмически неактивном районе от коэффициента крепости грунта

Из таблицы 8 следует, что в сейсмически неактивных районах напорные гидротехнические туннели без обделки могут иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое, среднее и глубокое заложение (до 680 м). В случае превышения расчетной предельной глубины заложения необходимо устройство обделки.

При этом напорные туннели без обделки допускается проектировать при глубине заложения не менее половины величины внутреннего напора воды (в метрах), то есть H ? p_w./ г_w. Тогда легко подсчитать, что для p_w = 1,0 МПа минимальная глубина заложения составит H_min = 50 м, а для p_w = 2,0 МПа - 100 м.

В этом случае помимо всех вышеуказанных нагрузок необходимо включить в сочетание сейсмические воздействия от продольных и поперечных волн.

Поскольку для скальных грунтов скорость распространения продольной волны в 1,5…2 раза больше поперечной, то их воздействие не является одновременным. Поэтому сначала следует проанализировать, какая из волн обладает наихудшим воздействием на напорный гидротехнический туннель без обделки, и затем включить ее в расчетное сочетание.

Как следует из табл. 4 и 5, значения максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки при сейсмическом воздействии поперечной волны в 2…3 раза больше, чем при продольной. Поэтому включаем в расчетное сочетание воздействие поперечной волны.

Результаты расчетов при H = 100 м и расчетной сейсмичности 9 баллов приведены в табл. 9.

Таблица 9

Зависимость максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру гидротехнического туннеля без обделки от собственного веса грунта и воды, внутреннего напора, сейсмического воздействия поперечной волны, а также формы и соотношения размеров поперечного сечения при H = 100 м и расчетной сейсмичности 9 баллов

Как следует из табл. 9, наиболее рациональной формой поперечного сечения для сейсмически активного района является коробовая при h/b = 1,0 (у⁺_max = 3,973…4,313 МПа), а наименее рациональной - корытообразная при h/b = 1,5 (у⁺_max = 5,612…7,229 МПа).

Пользуясь данными табл. 1 и 9, определим предельную глубину заложения напорного гидротехнического туннеля коробового сечения без обделки при h/b = 1,0 и b = 2 м, внутреннем напоре воды p_w = 1,0 МПа в сейсмически активном районе от коэффициента крепости скального грунта при расчетной сейсмичности 9 баллов. Результаты расчетов сведены в табл. 10.

Таблица 10

Зависимость предельной глубины заложения напорного гидротехнического туннеля без обделки коробового сечения при h/b = 1,0 и b = 2 м, внутреннем напоре воды p_w = 1,0 МПа в сейсмически активном районе от коэффициента крепости грунта при расчетной сейсмичности 9 баллов

Из таблицы 10 следует, что в сейсмически активном районе напорные гидротехнические туннели без обделки могут иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое и среднее заложение (до 564 м). Для глубокого заложения напорных гидротехнических туннелей и в случае превышения расчетной предельной глубины необходимо устройство обделки.

Размещено на Allbest.ru