П 17-85
------------
ВНИИГ

     

УЧЕТ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Пособие к разделу 5: Гидротехнические сооружения СНиП II-7-81)

     

Дата введения II квартал 1986 г.

ВНЕСЕНО ВНИИГом имени Б.Е.Веденеева, Гидропроектом им. С.Я.Жука, ГрузНИИЭГСом (Минэнерго СССР) и ИСМиСом им. К.С.Завриева (АН ГрузССР)

УТВЕРЖДЕНО ВНИИГом им. Б.Е.Веденеева и Гидропроектом им. С.Я.Жука решением N 17 от 4 января 1984 г. и согласовано с Главниипроектом Минэнерго СССР

Пособие по учету сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений составлено в развитие раздела 5: Гидротехнические сооружения СНиП II-7-81 "Строительство в сейсмических районах". Оно содержит рекомендации, детализирующие эти нормы проектирования по вопросам изысканий и исследований с целью определения уточненных характеристик сейсмического воздействия; динамических свойств грунтов оснований и материалов сооружений; расчетов, проектирования и строительства в сейсмических районах гидротехнических сооружений из грунтовых материалов и бетонных, морских гидротехнических сооружений, тоннелей; определения сейсмического давления грунта на подпорные стены; учета влияния водной среды в расчетах сейсмостойкости гидросооружений, а также по вопросам организации и проведения инструментальных наблюдений за поведением гидросооружений, их оснований и береговых склонов при землетрясениях; применения мероприятий по повышению сейсмостойкости гидротехнических сооружений. Приводятся примеры расчетов.

Пособие по учету сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений подготовлено ВНИИГом им. Б.Е.Веденеева, Гидропроектом им. С.Я.Жука, ГрузНИИЭГСом Минэнерго СССР и ИСМиС им. К.С.Завриева АН ГрузССР с участием ТИССС АН ТаджССР, ИСС Госстроя ТССР, ИГМ АН УССР, ЛПИ им. М.И.Калинина, МИСИ им. В.В.Куйбышева, МГМИ Минвуза РСФСР, ГПИ им. В.И.Ленина Минвуза ГрузССР. Пособие предназначено для работников проектных и научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием и исследованиями гидротехнических сооружений в сейсмических районах.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пособие по учету сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений разработано в развитие раздела 5: Гидротехнические сооружения СНиП II-7-81 [1].

При его подготовке использован накопленный с 1972 г. опыт применения раздела 5 СНиП II-А.12-69* и "Руководства по учету сейсмических воздействий при проектировании гидротехнических сооружений", результаты проводившихся в этот период исследований, а также отечественный и зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации плотин разных типов и других гидросооружений в сейсмических районах.

Пособие состоит из двух частей. В первой приводятся пояснения и дополнения к общей части и разделу 5 СНиП II-7-81 [1], регламентирующим состав, задачи и методы исследований, а также расчеты гидротехнических сооружений, проектируемых в сейсмических районах.

Вторая часть состоит из 9 приложений, содержащих дополнительные материалы к общей части и разделу 5 СНиП [1]; требования к исследованиям по оценке степени сейсмической опасности районов строительства гидроузлов и определению исходных данных для проектирования гидросооружений с учетом сейсмического воздействия; примеры исследований и расчетов сейсмостойкости плотин бетонных и из грунтовых материалов, морских гидротехнических сооружений, тоннелей и водоводов, подпорных стен, проверки сейсмической устойчивости береговых склонов и др.; рекомендации по применению конструктивных и других мероприятий для повышения сейсмостойкости гидросооружений.

Кроме того, Пособие содержит сведения о современных методах экспериментальных и расчетно-теоретических исследований сейсмостойкости гидросооружений, а также необходимые справочные материалы для их проектирования в сейсмических районах.

В разделе 5 новых СНиП [1] и в Пособии сохранены практически без изменений (по сравнению с прежними СНиП и Руководством к ним) основные положения и редакция пунктов, касающихся определения присоединенной массы воды и гидродинамического давления на гидросооружения при сейсмических воздействиях, подготовленные ранее доктором техн. наук И.С.Шейниным, доктором техн. наук С.Г.Шульманом, канд. техн. наук И.С.Калицевой.

В первой части Пособия для формул, встречающихся в тексте СНиП [1], принята двойная нумерация, например: (1) (12), причем первая цифра указывает на порядковый номер формулы в пределах I части Пособия, а вторая - на ее порядковый номер в СНиП [1]. Формулы, таблицы и рисунки, встречающиеся только в первой части Пособия, имеют одинарную нумерацию, например: табл.1, рис.2. Во второй части Пособия каждое из приложений имеет свою, также одинарную нумерацию формул, таблиц и рисунков.

Пособие подготовлено Лабораториями грунтовых сооружений (заведующий М.П.Павчич) и строительной механики (заведующий д.т.н. А.А.Храпков) Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е.Веденеева (рук. работ к.т.н. А.П.Пак, отв. исполнитель к.т.н. Н.Д.Красников), Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-изыскательским институтом Гидропроект им. С.Я.Жука (рук. работ А.Г.Осколков, отв. исполнитель к.т.н. Я.И.Натариус) и Грузинским научно-исследовательским институтом энергетики и гидротехнических сооружений (ГрузНИИЭГС) (отв. исполнители д.т.н. П.А.Гутидзе и к.т.н. Г.П.Мамрадзе) Минэнерго СССР, а также Институтом строительной механики и сейсмостойкости (ИСМиС) им. К.С.Завриева АН ГрузССР (отв. исполнитель член-кор. АН ГрузССР Ш.Г.Напетваридзе) с участием ТИССС АН ТаджССР, ИСС Госстроя ТССР, ИГМ АН УССР, ЛПИ им. М.И.Калинина, МИСИ им. В.В.Куйбышева, МГМИ Минвуза РСФСР, ГПИ им. В.И.Ленина Минвуза ГрузССР.

В подготовке Пособия принимали участие Е.К.Архиппова, (5.4), к.т.н. Б.М.Бахтин (3.2), к.т.н. В.П.Болдычев (3.2), к.т.н. Т.Г.Гвелисиани (7.4), Е.Д.Гибянская (6.1), к.т.н. С.П.Гордеева (3.1.1), В.А.Горбов (5.2.1), к.т.н. М.Е.Грошев (2.3.4), д.т.н. П.А.Гутидзе (ч.I), Н.Д.Давиденко (3), к.т.н. Г.Я.Джинджихашвили (7.4), д.т.н. Ю.К.Зарецкий (1.5, 2.3.1, 2.3.4), к.т.н. С.В.Иванков (4), д.т.н. П.Л.Иванов (2.2.1, 2.2.5), к.т.н. И.Н.Иващенко (5.6, 5.8 ч.I, 2.3.1-2.3.3), к.ф.-м.н. А.Д.Капцан (5.17 ч.I, 5, 2.1), к.т.н. Д.Н.Киласония (5.5.2, 7.3), С.Н.Ключникова (5.2.1), к.т.н. И.А.Константинов (5.13 ч.I, 3), к.т.н. И.X.Костин (5.17 ч.I, 5.3), к.т.н. Н.Д.Красников (ч.I. 2.1, 2.2), д.т.н. Л.И.Кудояров, к.ф.-м.н. И.П.Кузин (1.1-1.4), д.т.н. П.П.Кульмач (ч.I, 4), к.т.н. М.С.Ламкин (3.1), Т.Ф.Липовецкая (2.2.5), д.т.н. В.Н.Ломбардо (1.5, 2.3.1, 2.3.4, 3.1, 3.3), д.т.н. В.М.Лятхер (ч.I, 1.5, 2.3.1-2.3.3, 5.2.1), к.т.н. Г.П.Мамрадзе (5.5.2, 7.3, 7.4), проф. А.Л.Можевитинов (ч.I, 2.2.5, 6.1), д.т.н. Н.С.Моцонелидзе (3.2.1, 3.2.3), Н.Г.Муравьева (3.3.1), член-кор. АН ГрузССР Ш.Г.Напетваридзе (ч.I), к.т.н. Я.И.Натариус (ч.I, 2.2.3, 3.1.2, 9), к.т.н. Б.Н.Островерх (3.1, 5.2.1), д.т.н. О.А.Савинов (ч.I, 2.2.5, 8), д.ф.-м.н. А.И.Савич (1.1-1.4), к.т.н. Г.С.Селезнев (8), к.т.н. И.В.Семенов (3.1), А.И.Смильтнек (2.2.1), Н.Л.Степанова (3.3), к.т.н. А.А.Стоценко (3.3), к.т.н. Ю.Я.Суптеля (4), М.Г.Сухоненко (6.2), к.т.н. Г.С.Толкачев (2.2.1, 2.2.6), к.т.н. А.П.Троицкий (2.2.3, 2.2.4, 2.2.6), д.т.н. С.А.Фрид (6.2), В.И.Хелевин (6.2), д.т.н. Г.Л.Хесин (5.17 ч.I, 5.3), к.т.н. В.И.Хорьков (2.2.3-2.2.5), д.т.н. А.А.Храпков (ч.I, 3), д.т.н. И.М.Хуберян (3.3.2), к.т.н. Г.Э.Шаблинский (3.2), С.Н.Шейченко (5.2.1), Л.А.Эйслер (2.2.1, 2.2.2, 2.2.6), к.т.н. Е.В.Юренева (5.17 ч.I, 5.3), В.Б.Янчер (5.6, 5.8 ч.I, 2.3.2, 2.3.3).

При подготовке приложений к Пособию учитывались также материалы, представленные к.т.н. Б.М.Бахтиным, к.т.н. Нгуен Ван Хуаном, В.И.Думенко, В.П.Шарковым (к 6.1), к.т.н. Б.И.Ильясовым и к.т.н. Н.Б.Мовляновым (к 2.5.5), к.т.н. А.Н.Моцонелидзе (к 2.2.6).

Общее редактирование Пособия выполнено к.т.н. Н.Д. Красниковым (отв. редактор), д.т.н. О.А.Савиновым, д.т.н. А.А.Храпковым (ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева), д.т.н. B.М.Лятхером, к.т.н. Я.И.Натариусом (Гидропроект им. C.Я.Жука) с учетом замечаний и предложений ряда специалистов указанных выше организаций.

I. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

5.1. Указания настоящего пункта СНиП II-7-81 распространяются на плотины, дамбы, водоприемные, водопроводящие и водосбросные сооружения (водоприемники, поверхностные и донные водосбросы, каналы, гидротехнические тоннели, напорные трубопроводы), сооружения на деривационных трактах (отстойники, акведуки, напорные бассейны и др.), судопропускные сооружения (шлюзы, судоподъемники, направляющие и причальные сооружения), рыбопропускные устройства, берегоукрепительные сооружения (причальные пирсы и стенки, волноломы, доки и наливные камеры), подземные сооружения гидроэлектрических станций, гидротехнические сооружения тепловых и атомных станций, а также возводимые на шельфе.

Указания данного раздела не распространяются на взаимодействующие с водной средой сооружения или части сооружений железно- и автодорожного транспорта (например, опоры мостов), проектирование которых должно осуществляться по указаниям раздела 4 СНиП II-7-81 [1].

5.2. Оценка сейсмичности площадок строительства гидротехнических сооружений [2], на проектирование которых распространяются указания данного пункта, производится согласно приложениям 1 и 2 СНиП с учетом инженерно-геологических данных, характеризующих выбранную площадку, приведенных в табл.1 СНиП, и примечаний к п.5.2.

5.3. Регламентируемые настоящим пунктом исследования проводятся для разработки проектов подпорных гидросооружений I класса, а в случаях сложных инженерно-геологических и сейсмотектонических условий створов - также для подпорных сооружений II класса, размещаемых в районах сейсмичностью 6 баллов и выше. Состав, методы и объемы работ, выполняемых специализированными организациями с целью уточнения сейсмической опасности и обоснования параметров расчетных сейсмических воздействий (детальное сейсморайонирование и сейсмомикрорайонирование), определяются совместно проектирующей и специализированными организациями. В качестве аналога организациями Минэнерго СССР может использоваться типовая программа, разработанная Гидропроектом им. С.Я.Жука.

По данным детального сейсмического районирования и микрорайонирования для площадок основных сооружений напорного фронта гидроузла уточняется макросейсмическая интенсивность возможных землетрясений с указанием вероятной их повторяемости [3-5]. На этой основе статистическими методами, обобщающими эмпирические и инструментальные данные, на первой стадии выбираются наиболее опасные для сооружения воздействия, отвечающие фиксированной вероятности отсутствия их превышения. Затем по геологическим [6, 7] и сейсмологическим данным выбираются потенциально опасные сейсмогенные зоны и для каждой из них прогнозируются воздействия, из которых выбираются наиболее опасные для сооружения, отвечающие фиксированной вероятности их превышения. Пример детального сейсмического районирования и микрорайонирования участка строительства арочной плотины Ингурской ГЭС приведен в приложении 1.

5.4. Предусмотренное этим пунктом снижение на 1 балл сейсмичности площадок подпорных сооружений в период строительства может применяться при условии, что в этот период сооружение не воспринимает напора воды.

5.5. При проектировании гидротехнических сооружений в сейсмических районах применяются два метода оценки их сейсмостойкости.

Оценка сейсмостойкости всех гидротехнических сооружений, их оснований и береговых склонов как в створе сооружения, так и в зоне водохранилища производится с учетом условных квазистатических нагрузок [8-17], определяемых согласно п.2.2а и пп.5.13-5.24 по линейно-спектральной теории (ЛСТ) при воздействиях, задаваемых условными ускорениями основания (выраженными в долях - ускорения свободного падения) с использованием графиков коэффициента динамичности . Для подпорных гидротехнических сооружений I класса, расположенных в районах сейсмичностью свыше 7 баллов, согласно п.2.2б допускается производить дополнительные расчеты по динамической волновой теории (BT) на воздействия, задаваемые записями (акселерограммами и др.) землетрясений, принимаемыми в соответствии с указаниями п.5.3.

5.6. Проверка прочности и устойчивости гидротехнических сооружений, их оснований и береговых склонов с учетом условных статических нагрузок (сейсмических инерционных нагрузок от массы сооружения, присоединенной массы воды или гидродинамического давления; от волн в водохранилище, вызванных землетрясением; от динамического давления грунта), определяемых согласно п.2.2а, должна производиться по указаниям соответствующих глав СНиП по проектированию гидросооружений отдельных видов.

После определения по линейно-спектральной теории указанных выше условных статических нагрузок (сейсмических инерционных нагрузок, присоединенной массы воды и др.) с помощью соответствующих расчетов находятся усилия , , или напряжения в расчетных сечениях или точках сооружения от каждой из учитываемых форм собственных колебаний (ФСК), а затем - их расчетные (суммарные) значения в тех же сечениях или точках. Примеры определения сейсмических нагрузок, расчетных усилий и напряжений для проверки прочности и устойчивости грунтовых гидросооружений приведены в приложении 2, а бетонных - в приложении 3.

Критерии прочности и устойчивости гидросооружений при нагрузках особого сочетания, включающих сейсмические воздействия, для грунтовых плотин приведены в СНиП 2.06.05-84 [18], а для бетонных - в СНиП II-54-77 [19]. Проверка сейсмостойкости подпорных гидротехнических сооружений I класса при их расположении в районах с сейсмичностью больше 7 баллов по схеме 2.2б на воздействия, задаваемые акселерограммами (велосиграммами, сейсмограммами) землетрясений, проводится на основе специальных технических условий, разрабатываемых проектирующей организацией.

В технических условиях:

а) определяются схема задания сейсмического воздействия, соотношения между ускорениями в различных направлениях, изменение амплитуд по периметру каньона, сдвиг по времени вступления воздействия в различных точках основания сооружения и др. (по данным исследований, предусмотренных п.5.3);

б) устанавливаются основные положения расчетных или экспериментальных исследований, в которых определяется схема физического или численного моделирования процесса, учитываемые факторы и способы их учета;

в) определяется состав и методика проведения экспериментальных полевых и лабораторных исследований по изучению физико-механических характеристик грунтов и строительных материалов в рамках принятых моделей;

г) формулируются критерии, позволяющие определить предельную несущую способность сооружения и дать оценку его сейсмостойкости.

Кроме того, за последние годы в ряде организаций (в Гидропроекте, ВНИИГе и др.) большое внимание уделяется разработке базирующихся на положениях теории надежности методов расчета и проектирования гидротехнических сооружений в сейсмических районах. Ниже приводится один из возможных подходов (разрабатываемый в Гидропроекте) к решению указанных задач.

При разработке проектов ответственных гидротехнических сооружений оптимизация их конструкции может быть выполнена с использованием следующих положений теории надежности. Оптимальным считается вариант конструкции, для которого минимальны сумма затрат на возведение сооружения и риск, связанные с возможными повреждениями или авариями сооружения:

,

где - вероятность отдельных повреждений или аварий; - ущерб, вызванный каждым повреждением или аварией.

Исходными для каждого из сопоставляемых вариантов, наряду с конструктивными данными, являются сведения о сроке эксплуатации и возможном ущербе от разрушения сооружения или его повреждений. Кроме того, должны быть заданы:

а) функции распределения интенсивности землетрясений, построенные на основании данных о повторяемости землетрясений различной балльности и обеспеченности различных уровней интенсивности землетрясений каждой балльности (см. п.5.3 СНиП II-7-81);

б) значения критериев сейсмостойкости рассматриваемых гидротехнических сооружений (критерии связаны с применяемой методикой расчета сейсмостойкости и зависят от свойств материалов; в качестве критериев могут применяться, например, осадки гребня или относительные деформации грунтовых плотин, напряжения в бетонных плотинах, коэффициенты запаса устойчивости и т.п. - см. п.1, 2 и 3.2 приложения 3).

При расчетах вероятностей может быть также учтена изменчивость других видов воздействий (уровней верхнего бьефа, фильтрационных сил, противодавления, температурных воздействий и т.п.), а также физико-механических характеристик материалов, изменчивость начального (статического) состояния плотины.

Если учитывать только изменчивость интенсивности землетрясения, то расчет значительно упрощается: вероятность аварии или повреждения в этом случае равна вероятности превышения уровня воздействия, вызвавшего достижение заданных значений критериев сейсмостойкости.

Оценка сейсмической устойчивости гидросооружений на вероятностной основе не обязательно связана с анализом суммарных затрат по приведенному выше выражению. Более простые предварительные оценки возможны на основе регламентации вероятности аварии , определяемой техническими условиями на проектирование сооружения. В этом случае сейсмостойкость сооружения рассчитывается при интенсивности сейсмического воздействия, обеспеченность которой равна . Сейсмостойкость считается обеспеченной, если удовлетворяется заданное значение критерия сейсмостойкости.

5.7. Расчетные характеристики динамических деформационных и прочностных свойств грунтов оснований и материалов сооружений должны определяться экспериментально с учетом их зависимости от плотности, влажности, статического напряженно-деформированного состояния, условий динамического нагружения, особенностей сейсмического воздействия и других факторов.

При расчетах гидросооружений по ЛСТ (по п.2.2а) на ранних стадиях проектирования допускается принимать деформационные характеристики осредненными по сечению или объему плотины и использовать статические прочностные характеристики. В этом случае для бетонных плотин прочностные характеристики бетона и арматуры могут приниматься по СНиП II-56-77 [20] с последующим их уточнением на основе соответствующих экспериментов, причем значение следует принимать равным 1,2.

В аналогичных случаях для грунтовых плотин динамические деформационные и прочностные характеристики грунтов могут приниматься по таблицам приложения 2 к настоящему Пособию или по [21] с последующим их уточнением путем постановки соответствующих экспериментальных исследований.

При расчетах по п.2.2б определение характеристик динамических деформационных и прочностных свойств грунтов является обязательным.

При наличии в основании или в теле гидротехнического сооружения водонасыщенных несвязных или слабосвязных грунтов должна производиться оценка существующими методами [21] динамической устойчивости их структуры и возможного снижения сопротивления сдвигу вследствие разжижения этих грунтов при сейсмических воздействиях.

5.8. Основным требованием к сейсмостойким гидротехническим сооружениям является обеспечение их способности к выполнению при землетрясении и в течение срока, достаточного для производства ремонтных работ после землетрясения, своих основных функций, заключающихся: для подпорных сооружений - в удержании напорного фронта, а для воднотранспортных сооружений (причальных, судоподъемных, шлюзов и др.) - в возможности выполнения всех транспортных операций, необходимых для спасения людей и ценного имущества во время землетрясения, обеспечения бесперебойного снабжения народнохозяйственных объектов и т.п.

При этом могут допускаться остаточные деформации и повреждения (осадки, смещения, трещины и др.) гидротехнических сооружений, не препятствующие выполнению сооружениями своих основных функций и не приводящие к опасным последствиям, при условии, что они могут быть устранены ремонтом после землетрясения. При наличии специального обоснования, включающего соответствующие теоретические и экспериментальные исследования, могут допускаться:

а) подвижки скальных массивов, образующих береговые склоны, на величину, при которой обеспечивается их устойчивость под действием повторного землетрясения интенсивностью на 1 балл меньше расчетного;

б) поверхностное осыпание или оползание откосов земляных и каменнонабросных плотин при условии, что после землетрясения они сохраняют устойчивость и способность к удержанию напорного фронта;