Stateczność zapory Czaniec przy uwzględnieniu wykonywanej przesłony antyfiltracyjnej.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.

____________________________________________________________________

prof. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lądowej - Politechnika Warszawska

2) dr, Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór - Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa

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

Strefa

materiałowa

[kPa]

 

[kN/

m 3 ]

[kPa]



  

c F

[kPa]

 F

  

1 żwiry + otoczaki+piaski

nad poziomem wody

120 000 0.2 20.0 2 38 0.88 19.1

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

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 - -

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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: