Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

Богомолов А.Н., Шиян С.И.

Левый откос канала № 101, примыкающий к территории шлюза № 1 Волго-Донского водного пути, является опасным в оползневом отношении земляным сооружением.

Он имеет очень сложное геологическое строение, возведен на месте бывшего оврага из пластичных шоколадных глин с прослойками водонасыщенного песка. Уровни грунтовых вод находятся на высоких по отношению к подошве откоса отметках. В 1964 году на откосе произошел оползень, спровоцированный эрозионными процессами.

После этого в 1966 году институтом «Гидропроект» выполнены инженерно-геологические изыскания на левом склоне канала [1] для определения физико-механических свойств грунтов, характера их обводнения, водопроницаемости и степени устойчивости грунтового массива.

По результатам этих изысканий составлен геологический разрез площадки, который представлен современными техногенными образованиями, верхнечетвертичными морскими отложениями хвалынского горизонта и среднечетвертичными аллювиальными отложениями хазарского горизонта.

В середине 1980-х начале 1990-х годов сотрудниками Ленинградского института водного транспорта были проведены наблюдения за деформациями откоса и расчет его устойчивости. Расчетные значения коэффициентов устойчивости оказались меньше нормативного значения и немногим больше единицы. На основании этого сделан прогноз о том, что в случае продолжения деформаций, примерно через 15 лет возможен новый оползень, т.е. склоновые процессы могут активизироваться в настоящее время [2].

Была поставлена задача определения критерия безопасной эксплуатации.

Критерии безопасной эксплуатации грунтового гидротехнического сооружения - это, установленные с учетом класса сооружения, качественные признаки и количественные показатели, характеризующие его безопасность и безопасность окружающей среды при различных режимах и условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, ввода и вывода его из эксплуатации.

Единственная ситуация, связанная с левым откосом канала № 101, которая может нарушить режим безопасной эксплуатации или привести шлюз № 1 в нерабочеспособное состояние, является возникновение оползня, т.е. переход грунтового массива в неустойчивое состояние.

Под неустойчивым состоянием грунтового массива при условии постоянства суммарного вектора внешних воздействий понимается такое его состояние, когда незначительное по величине изменение физико-механических свойств грунта «может нарушить равновесие массива, причем произойдут изменение структуры грунта и движение массива до тех пор, пока грунт не приобретет нового состояния равновесия» [3].

Для грунтового откоса качественным признаком возможности его безопасной эксплуатации является устойчивость, а количественным показателем - запаса коэффициент устойчивости. Качественный признак может быть определен визуально и при помощи геодезических измерений. Количественный показатель определяется при помощи расчета.

Согласно [4] для обоснования надежности и безопасности гидротехнических сооружений «должны выполняться расчеты напряженно-деформированного состояния системы «сооружение-основание» на основе применения современных, главным образом, численных методов механики сплошной среды с учетом реальных свойств материалов и пород оснований. Обеспечение надежности системы «сооружение-основание» должно обосновываться результатами расчетов по методу предельных состояний их прочности, устойчивости».

Все инженерные сооружения шлюза № 1 Волго-Донского водного пути относятся к сооружениям II класса. При расчете сооружений II класса по I группе предельных состояний коэффициент надежности (в данном случае коэффициент запаса устойчивости) назначается равным К=1,2 [4].

Нами проведен расчет устойчивости исследуемого объекта с использованием компьютерной программы «GEO-SLOPE office» (версия 4.21) и программ «Устойчивость» и «STRESS-PLAST» [5; 6].

Первая из этих программ реализует несколько интерпретаций метода Шведской геотехнической комиссии, разработанного К.Е.Паттерсоном в 1916 году [7] (методы Янбу, Бишопа и др.), и основанного на гипотезе о круглоциллиндрической форме поверхности скольжения.

Во второй и третьей программах формализованы методики [8], справедливая при условии, что в приоткосной зоне отсутствуют области пластических деформаций грунта, и [9], справедливая для условий смешанной задачи, построения наиболее вероятной поверхности скольжения, основанные на анализе напряженно-деформированного состояния грунтового массива методом конечных элементов. Под наиболее вероятной линией скольжения подразумевается единственная линия из всех, которые возможно построить в данном грунтовом массиве, имеющая при всех прочих равных условиях минимальное значение коэффициента запаса устойчивости К.

Обработка и анализ результатов вычислений показали: если в качестве расчетных физико-механических характеристик грунта взять их значения, полученные в условиях полного водонасыщения (условный уровень грунтовых вод находится на уровне дневной поверхности откоса), то численные значения коэффициентов устойчивости, вычисленные при помощи программы «GEO-SLOPE office» (версия 4.21), находятся в интервале КÎ[0,949-2,15], а при помощи компьютерных программ «Устойчивость» и «STRESS PLAST» - КÎ[0,74-3,16].

То есть, при этих условиях существуют поверхности скольжения, для которых численные значения расчетных коэффициентов устойчивости меньше нормативной величины.

Если в качестве численных значений расчетных характеристик грунта использовать значения физико-механических свойств, полученные при испытании образцов грунта естественной влажности с учетом действительного положения уровня грунтовых вод, то численные значения величины коэффициента устойчивости вычисленные для любой возможной в данном грунтовом массиве поверхности скольжения, будут значительно больше нормативной величины К=1,2.

В работе [3] подчеркивается, что «в природе на устойчивость склонов и искусственных откосов существенное влияние оказывают внешние, главным образом гидрогеологические факторы». Если предположить, что физико-механические свойства грунтов, залегающих в естественных условиях выше установленного на день завершения инженерно-геологических изысканий уровня грунтовых вод, меняются со временем незначительно, то можно сказать, что величина коэффициента устойчивости откоса будет являться функцией уровня грунтовых вод, т.е. зависеть от доли объема грунта массива, находящегося в условиях полного водонасыщения.

Для количественной оценки критерия безопасной эксплуатации откоса проведены вычисления значений коэффициента устойчивости, смысл которых, сводится к следующему: для двух геологических разрезов, которые построены по результатам инженерно-геологических изысканий [10], выделены глобальные наиболее вероятные линии разрушения. Затем, для каждой из этих линий, при помощи компьютерной программы «GEO-SLOPE office» (версия 4.21) и компьютерных программ «Устойчивость» и «STRESS-PLAST», определены соответствующие численные значения коэффициентов устойчивости четырьмя методами для восьми гипотетических значений уровня грунтовых вод (всего просчитано 64 варианта).

Расчеты проведены при условии, что грунту, находящемуся ниже уровня грунтовых вод, присваивались физико-механические свойства, которыми он обладает при условии полного водонасыщения. Той части грунтового массива, которая находится выше уровня грунтовых вод, присваивались физико-механические свойства, которыми обладают соответствующие грунты в условиях естественного залегания.

В результате анализа и обработки полученных результатов построены графики зависимости величины коэффициента устойчивости откоса от уровня грунтовых вод.

Зная отметку уровня грунтовых вод нижнего горизонта и используя полученные графические зависимости, можно легко оценить количественный показатель критерия надежности, определить в случае необходимости критическое значение уровня грунтовых вод (К=1).

Заключение

Для безопасной эксплуатации и поддержания работоспособного состояния оползнеопасного левого откоса канала № 101 на участке, примыкающем к шлюзу № 1 Волго-Донского водного пути, что согласно п.5.3.3 СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения. Основные положения», гарантируется нормативной величиной глобального коэффициента устойчивости (критерия безопасности) К=1,2, эксплуатирующая организация обязана постоянно обеспечивать нахождение уровня нижнего водоносного горизонта на отметке не выше -2м в Балтийской системе высот. При этом численные значения расчетной величины коэффициента устойчивости, вычисленной четырьмя методами (см. выше), будут находиться в интервале от 1,15 до 1,4, т.е. практически совпадать или быть выше нормативного значения К.

При этом рекомендуется:

  • не допускать застройку прилегающей части террасы, где в настоящее время размещена зелёная зона, так как в этом случае, особенно при быстром возведении тяжелых сооружений, грунтовый массив может перейти в неустойчивое состояние;
  • не допускать, даже временного, складирования отвалов грунтов и организации свалок на склоне и прилегающей к нему части террасы; повышения крутизны склона по сравнению с уже существующей, предусмотренной проектом;
  • надежно обеспечивать поверхностный сток талых и ливневых вод с прилегающей территории в любой период эксплуатации склона. При этом не должна допускаться концентрация поверхностного стока, что может привести к образованию на склоне промоин, повышению крутизны отдельных его участков и снижению его устойчивости.
  • содержать водонесущие коммуникации в исправном состоянии, а в случае аварийных утечек, быстро устранять их во избежание насыщения грунтов склона водой и снижения прочности грунтов; по той же причине нельзя проводить ненормированного (зарядного) полива зеленых насаждений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Панов Ю.И. Волго-Донской соединительный канал им. В.И. Ленина. Противооползневые мероприятия по каналу 101 и 102. /Ю.И. Панов, Т.С.Кавеев, Б.И.Святун//Отчет об инженерно-геологических изысканиях и исследованиях. РЧ. ВФ "Гидропроекта", 1966 г., заказ 61-3-217 (1408-г).
  2. Голубков С.А. Отчет о комплексных инженерных изысканиях для обоснования схемы инженерной защиты г. Волгограда от подтопления./ С.А.Голубков, С.В.Кузнецова// Том 1. Инженерно-геологические изыскания (в 11 книгах). НВТИСИз, 1985 г., заказ 8440 (4615-г).
  3. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Госстройиздат, 1963.
  4. СНиП 33-01-2003 «Гидротехнические сооружения» Основные положения. - М.: Госстрой России, 2004.
  5. Богомолов А.Н.. Программа «Устойчивость» для ПЭВМ/ Богомолов А.Н., Ушаков А.Н., Редин А.В. //Информационный листок о научно-техническом достижении № 311-96, Волгоград, ЦНТИ, 1996.
  6. Богомолов А.Н.. Программа «STRESS-PLAST» для ПЭВМ/ Богомолов А.Н., Ушаков А.Н., Редин А.В. //Информационный листок о научно-техническом достижении № 313-96, Волгоград, ЦНТИ, 1996
  7. Petterson K.E. Kajraseti Goteborg des 5-te mars 1916. Tekniske Tidskrift. v. 46, 1916.
  8. Цветков В.К. Расчет устойчивости откосов и склонов. - Волгоград: Нижне-Волжское кн. из-во, 1979.
  9. Богомолов А.Н. Расчет несущей способности оснований сооружений и устойчивости грунтовых массивов в упругопластической постановке. - Пермь: ПГТУ, 1996.
  10. Игнатенко О.Н. Технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям по теме № 949/06 «Исследование и расчет устойчивости оползнеопасного левого откоса канала № 101 на участке, примыкающем к шлюзу № 1 Волго-Донского водного пути в Красноармейском районе г. Волгограда». ООО «Радиан», 2006 г., заказ 3312.