Novocherkassk, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 70.17 Водохозяйственное строительство. Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 08.06.01 Техника и технологии строительства
BBK 38 Строительство
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
Construction of the first large reservoir on the Crimean peninsula north of Bazarchik (now Post Office) on the beam of Bazar-Jilga, which flows into the river Alma (length 87.8 km, catchment area 635 km2), was carried out in 1925 under the project of the regional department of water management. The volume of the reservoir named Alminskoye (Bazar-Jilga) was 1.7 million m3, which allowed the irrigation of 1.8 thousand hectares of land. In 1927 on the Crimean peninsula there were two catastrophic earthquakes (June and September) with magnitudes 6.0 and 6.8. In 1934 the reconstructed complex of GTS of the Alminsky reservoir was put into operation. The reservoir volume was 6.0 million m3; Ground dam height - 20.2 m; Dam length - 220 m; Width along the ridge is 7.45 m. In 1974 - 1976 the reconstruction of the complex of GTS of the Alminsky reservoir was carried out. During the period of operation of the Almin reservoir, the norms of seismic construction in the USSR and the Russian Federation were changed 11 times. The issues of seismic stability of the soil dam of the Alminsky reservoir in accordance with the requirements of SP 14.13330.2018 "Construction in seismic areas," which shows the criterion conditions for the operated hydraulic structures, are considered in the work.
Soil dam, earth slopes, reservoir, seismic stability, safety
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. SP 14.13330.2018. Stroitel'stvo v seysmicheskih rayonah. Nagruzki i vozdeystviya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP II-7-81*: vzamen SP 14.13330.2014: data vvedeniya 2018-11-25. - URL: http://docs.cntd.ru/document/550565571 (data obraschenie 25.12.2019).
2. GOST R 57546-2017. Zemletryaseniya. Shkala seysmicheskoy intensivnosti: vved. vpervye: data vvedeniya 2017-09-01. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200146265 (data obraschenie 25.12.2019).
3. Volosuhin, Ya.V. Obespechenie bezopasnosti vodopol'zovaniya v Respublike Krym / Ya.V. Volosuhin, D.Yu. Navolokin // Vodosnabzhenie i sanitarnaya tehnika. - 2017. - № 6. - S. 4 - 9.
4. Zemletryaseniya v Krymu: istoriya i seysmicheskaya aktivnost' v nastoyaschee vremya. - URL: https://vplate.ru/krym/zemletryaseniya/ (data obraschenie 25.12.2019).
5. Al'minskaya vpadina. - URL: https://scicenter.online/geologiya-sssr-scicenter/alminskaya-vpadina-164297.html (data obraschenie 25.12.2019).
6. Krymskie zemletryaseniya. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (data obraschenie 25.12.2019).
7. Rozanov, N.N. Plotiny iz gruntovyh materialov / N.N. Rozanov. - M.: Stroyizdat, 1983. - 296 s.
8. Izmerenie geometricheskih parametrov plotiny Al'minskogo vodohranilischa geodezicheskim metodom. Otchet o kompleksnyh inzhenernyh izyskaniyah. Chast' I. Inzhenerno-geodezicheskie izyskaniya / IP Androsov A.Yu. - Rostov-na-Donu, 2017.
9. Deklaraciya bezopasnosti gidrotehnicheskih sooruzheniy Al'minskogo vodohranilischa / OAO «Sevkagiprovodhoz». - Simferopol', 2016.
10. Tehnicheskiy otchet po rezul'tatam kompleksnogo analiza (mnogofaktornogo obsledovaniya) s ocenkoy prochnosti, ustoychivosti i ekspluatacionnoy nadezhnosti gidrotehnicheskih sooruzheniy Al'minskogo gidrouzla / Ya.V. Volosuhin; IKC «Bezopasnost' GTS». - Novocherkassk, 2017. - 108 s.
11. P 71-2000 VNIIG. Rekomendacii po diagnosticheskomu kontrolyu fil'tracionnogo rezhima gruntovyh plotin: vved. vpervye: data vvedeniya III kv. 2000. - URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293812/4293812286.pdf (data obraschenie 25.12.2019).
12. P 72-2000 VNIIG. Rekomendacii po provedeniyu vizual'nyh nablyudeniy i obsledovaniy na gruntovyh plotinah: vved. vpervye: data vvedeniya III kv. 2000. - URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293812/4293812137.pdf (data obraschenie 25.12.2019).
13. Cshoher, V.O. Antiseysmicheskoe stroitel'stvo / V.O. Cshoher, V.A. Byhovskiy. - M.: Stroitel'stvo, 1937. - 344 s.
14. Marchuk, A.I. Stepen' nadezhnosti bol'shih plotin pri povyshenii normativnoy seysmichnosti / A.I. Marchuk // Gidrotehnika XXI vek. - 2018. - № 12. - S. 22 - 25.
15. Ivankova, T.V. Gidroekologicheskaya bezopasnost' vodopol'zovaniya v basseyne maloy reki Al'my Respubliki Krym: monografiya / T.V. Ivankova. - Rostov-na-Donu: Izdatel'stvo YuNC RAN, 2019. - 64 s.
16. Stefanishin, D.V. Nekotorye teoreticheskie aspekty ocenki stareniya gidrotehnicheskih sooruzheniy / D.V. Stefanishin // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. - 1996. - № 9. - S. 21 - 24.
