1. ФИЛЬТРАЦИЯ В ОСНОВАНИИ

ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ И В ОБХОД ИХ

1.1. Общие сведения о фильтрации
1.1.1. Фильтрационный поток в основании сооружений
Понятие о фильтрации. Под фильтрацией понимают движение жидкости в пористых и трещиноватых (скальных) породах. Пространство, занятое фильтрационным потоком, в таких грунтах называют областью фильтрации.

По характеру движения фильтрационный поток может быть неустановившимся, когда скорости и пьезометрические давления, а следовательно, и расходы изменяются во времени, и установившимся, когда эти величины не зависят от времени. В дальнейшем будет изучаться только установившееся движение, являющееся следствием постоянства уровней воды в бьефах.

Причины фильтрации в пористой среде. Движение фильтрационного потока обусловлено рядом причин – разностью давлений, температурным перепадом, электрическим потенциалом и др. В водоподпорных сооружениях причиной фильтрации в грунтовом основании служит разность уровней воды между бьефами.

Фильтрационные расчеты выполняют при постоянной разности уровней воды между верхним и нижним бьефами, несмотря на то, что во времени происходят их колебания, соответственно этому меняется и разность их. Для этого принимают расчетную схему с максимальным значением разности уровней при установившейся фильтрации.

Два вида потоков воды в водоподпорных сооружениях. При разности бьефов в сооружениях возможны два вида потоков воды – поверхностный и фильтрационный. Эти потоки могут протекать одновременно или раздельно. В глухих или водосбросных сооружениях, но при закрытых затворах будет только фильтрационный поток. При поднятых затворах и незначительной разности уровней (например, 2 –3 см) будет только поверхностный поток, а фильтрационного практически не будет (рис. 1.1.а). При открытых затворах и значительной разности уровней в бьефах будут оба потока — поверхностный и фильтрационный (рис. 1.1.б).

Напорный и безнапорный потоки. Если сооружение мало водопроницаемо (бетон, железобетон, камень), а грунт представляет собой легкопроницаемую для воды среду, то грунтовый поток не имеет свободной поверхности и является напорным (рис. 1.2.). Такой поток оказывает на подошву сооружения гидродинамическое (фильтрационное) давление, изменяющееся от максимальной величины, равной разности уровней Н плюс глубина воды в нижнем бьефе Н₂ (если она есть), до минимума, равного глубине воды в нижнем бьефе Н₂ или при отсутствии воды в нижнем бьефе равного нулю.

Рис. 1.1. Поверхностный и фильтрационный потоки в водоподпорных сооружениях:

а – поверхностный поток, в основании однородно-изотропные грунты; б – поверхностный и фильтрационный потоки, в основании однородно-анизотропные грунты.


3

Рис. 1.2. Напорное движение фильтрационного потока:

1 – понур; 2 – водобой; 3 – слив (рисберма); 4 – подошва; 5 – затвор; 6 – линия пьезометрических напоров вдоль флютбета; 7 – водоупор.

Если же сооружение само является фильтрующим (рис. 1.3.) (грунтовая плотина, дамба), то движение воды происходит через тело сооружения, при этом образуется свободная поверхность и движение будет безнапорным. Поверхность воды в грунтовом теле называется депрессионной поверхностью, а линию пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью называют депрессионной кривой, или кривой депрессии.

Рис. 1.3. Безнапорное движение фильтрационного потока:

1 – депрессионная кривая; 2 – низовой откос; 3 – гребень плотины; 4 – верховой откос.

В основании водоподпорных сооружений также возможны два основных режима фильтрационного потока – безнапорный и напорный. Характер их определяется положением уровня грунтовых вод. Если он расположен ниже подошвы сооружения, будет безнапорный режим. Фильтрация воды будет происходить из верхнего бьефа в нижний в направлении, близком к вертикальному. Такое движение потока называют инфильтрацией. Если уровень грунтовых вод поднимется до дна нижнего бьефа, в основании появится напорный режим. Фильтрационные расчеты водоподпорных сооружений ведут при напорном режиме, причем уровень грунтовых вод, в зависимости от конкретных гидрогеологических условий, принимают или совпадающим с дном нижнего бьефа или расположенным выше его.

В этом разделе рассматривается напорное движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями, а безнапорное движение (через тело и в основании грунтовых плотин) рассматривается в главе 4.

1.1.2 Расчетные условия при фильтрации
Расчетные схемы напластования грунтов. В естественных условиях в основании сооружений можно встретить самое разнообразное напластование грунтов. Поскольку теория фильтрации не дает решения для всех встречающихся случаев взаимного расположения грунтов, принимают расчетные схемы напластований, для которых имеются готовые решения по определению параметров фильтрационного потока.

Примеры расчетных напластований грунтов в основании водоподпорных сооружений, наиболее часто встречающихся в практике фильтрационных расчетов, показаны на рисунке 1.3. В схемах, где водопроницаемое основание распространяется до бесконечности (рис. 1.4. а, б, в, г) имеется в виду, что в результате разведочного бурения не был достигнут грунт, имеющий другие характеристики.

Рис. 1.4. Примеры расчетных схем напластований грунтов в основании сооружений:

а – водонепроницаемый грунт неограниченной мощности; б – под флютбетом водопроницаемый грунт ограниченной мощности, ниже водонепроницаемый; в – водопроницаемый грунт неограниченной мощности; г – под флютбетом водонепроницаемый грунт ограниченной мощности, ниже водопроницаемый грунт; д – слоистое основание из водопроницаемых грунтов с различными значениями коэффициентов фильтрации;

е – слоистое основание с чередующимися водопроницаемыми и водонепроницаемыми грунтами
Расчетные уровни воды в бьефах. Уровни воды в сооружениях со временем меняются. Параметры фильтрационного потока определяют для расчетных уровней, при которых возможно наибольшее их значение, при этом режим фильтрационного потока должен быть установившимся.

В гидромелиоративных сооружениях разность уровней воды определяют, исходя из физически возможного их одновременного положения. Обычно в верхнем бьефе расчетный уровень соответствует пропуску по каналу старшего порядка нормальных расходов, а в нижнем бьефе в это время отсутствует вода. Следует учесть, что отсутствие воды в нижнем бьефе понимается как совпадение уровня с дном русла нижнего бьефа, при этом грунтовые воды находятся не ниже этого уровня.

В речных водоподпорных сооружениях случай отсутствия воды в нижнем бьефе встречается редко. За расчетный уровень воды в верхнем бьефе таких сооружений принимают нормальный подпорный (НПУ), а в нижнем бьефе – уровень воды, соответствующий сбрасываемому расходу через плотину (бытовому расходу).

Понятие о напоре фильтрационного потока. Под напором фильтрационного потока для любой точки области фильтрации понимают потенциальную энергию, которая выражается суммой двух линейных величин – геодезической и пьезометрической (рис. 1.5.):

Рис. 1.5. Схема к определению напоров в водоподпорных сооружениях
(1.1)

где h_x – напор относительно принятой плоскости сравнения в рассматриваемой точке области фильтрации;

z_x – расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки, при этом знак «+» берется, когда точка расположена выше плоскости сравнения, а знак «–», когда ниже нее;

(р/γ)_х – пьезометрическая высота в этой же точке (пьезометрическая высота, определяемая как вертикальное расстояние от рассматриваемой точки до уровня воды в пьезометре, величина всегда положительная).

При фильтрационных расчетах водоподпорных сооружений за плоскость сравнения может быть принята любая горизонтальная плоскость, относительно которой и вычисляется напор по формуле (1.1). Для упрощения и удобства расчетов за плоскость сравнения принимают плоскость, проходящую по уровню воды в нижнем бьефе. При такой плоскости сравнения напор на сооружение будет равен разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, его называют действующим напором, в то время как напор при всякой другой плоскости сравнения называют просто напором.

Следует подчеркнуть, что нельзя смешивать напор с гидростатическим давлением последнее, как известно, определяется глубиной погружения рассматриваемой точки под уровень воды, а напор отсчитывается от плоскости сравнения.

При плоскости сравнения, проходящей по уровню воды нижнего бьефа, дно верхнего бьефа будет представлять собой линию (плоскость) равного напора, соответствующего Н (действующему напору). Дно (плоскость) нижнего бьефа, как и всякая другая плоскость, расположенная выше ее и до уровня воды, будет иметь нулевой напор. Любая точка в области фильтрации под сооружением будет иметь напор меньше Н. Потерянный напор ΔН расходуется на преодоление сопротивлений при движении фильтрационного потока.
1.1.3. Составные части флютбета и силы, действующие на него
Флютбет и его составные части. Под флютбетом понимают совокупность частей сооружения, по которым протекает вода.

Напорное движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями происходит в непосредственном контакте с флютбетом, который является основной частью гидротехнического сооружения и образует ложе для проходящего через него потока. В речных сооружениях составными частями флютбета являются понур, тело плотины, водобой, рисберма и концевой участок (ковш) (рис. 1.6, а). Такой состав флютбета характерен для водосбросных плотин с повышенной глубиной воды в верхнем бьефе.

В сооружениях с низко расположенным порогом вместо тела плотины будет водосливной порог, располагаемый на уровне понура или несколько выше его (рис. 1.6, б), т.е. водослив с широким порогом.

В гидромелиоративных сооружениях на каналах водосливной порог и водобой объединяются в единую массивную плиту. Для таких сооружений считается, что флютбет состоит из трех частей – понура, водобоя и рисбермы (рис. 1.6, в).

Рис. 1.6. Составные части флютбета:

а – в высоконапорных и средненапорных сооружениях; б – в сооружениях с низким порогом; в – в гидромелиоративных сооружениях на каналах
Флютбет сооружения служит для двух целей: 1) безопасного пропуска поверхностного потока из верхнего бьефа в нижний и 2) гашения напора фильтрационного потока.

Понур укрепляет русло потока перед сооружением от размыва поверхностным потоком и служит связующим звеном между естественным ложем реки или канала и собственно сооружением. Его устраивают из водонепроницаемого материала: глины, глинобетона, бетона, железобетона, полимерных материалов и др.

Вследствие водонепроницаемости понур удлиняет путь фильтрационному потоку под сооружением, является средством гашения напора, снижает действие его на водобойную часть флютбета, за счет чего уменьшает расход и скорости фильтрации. Толщину понура назначают по конструктивным соображениям, так как он находится под двусторонним воздействием воды: подземному давлению, направленному снизу вверх, всегда будет противостоять большее по величине воздействие воды, направленное сверху вниз.

Минимальную толщину глиняного и глинобетонного понура принимают: при Н<5 м – 0,4-0,5 м; Н= 5-10 м – 0,5-0,6 м; при Н>10 м – 0,75 м. В крупных сооружениях толщину в месте сопряжения с телом плотины понура увеличивают до 1-2 м. Наибольшую толщину понура иногда принимают по формуле: t_макс =0,75 + 0,05∙Н. Толщину понура из суглинка принимают на 20-30% больше глиняного.

Следует отметить, что толщина понура уточняется после гидротехнического расчета сооружения из условия обеспечения фильтрационной прочности материала понура. Расчет ведут по формуле:

(1.2)

где t_n – толщина понура;

Δh – потери напора на понуре;

К_н – коэффициент надежности, учитывающий степень ответственности и значимости последствий при наступлении тех или иных предельных состояний, принимаемый по табл. 1.8;

– критический средний градиент напора, принимаемый по табл. 3.20.

Длина понура определяется двумя условиями: неразмываемостью русла перед понуром при пропуске воды через сооружение (водослив, щит, труба) и гашением напора фильтрационного потока. При предварительной компоновке флютбета длину понура назначают в зависимости от глубины воды и типа сооружения примерно в следующих пределах:

регуляторы-водовыпуски и подпорные сооружения (0 – 2) Н₁;

сопрягающие сооружения (2 – 3) Н₁;

промывные сооружения (1 – 4) Н₁;

водосливные плотины (0 – 2) Н₁.

Длина понура также уточняется после выполнения фильтрационного расчета сооружения с учетом гидравлического расчета.

Для лучшего сопряжения понура с подводящим руслом в начале его рекомендуется устраивать шпунт или верховой зуб глубиной не менее толщины понура.

Шпунтовая стенка в начале понура (понурный шпунт) устраивается только при анкерном понуре.

Сверху понур прикрывают защитным слоем из местного грунта. При больших донных скоростях ближайшую к сооружению часть понура укрепляют мостовой, бетонными или железобетонными плитами на слое гравия или песка.

Водобой представляет собою собственно сооружение. Он предназначен воспринимать удары падающей воды при переливах через водосливы и создавать безопасные условия протекания ее при увеличенной скорости в зоне прыжкового сопряжения или при его отгоне. Водобой, как водонепроницаемая часть, также служит средством гашения напора фильтрационного потока. Вследствие того, что давление снизу всегда больше давления сверху, толщину водобоя рассчитывают из условия устойчивости его против всплытия воздействия подъемного потока Длину водобоя назначают по гидравлическому расчету и по условиям размещения затворов, подъемников, служебного и проезжего мостов, а при необходимости ее увеличивают как противофильтрационное средство для подземного потока.

Ориентировочно длину водобоя можно назначить в таких пределах:

для водовыпусков и подпорных сооружений (2 – 4) Н₁;

для водосливных плотин и промывных сооружений (3 – 5) Н₁.

Сливная часть (слив), или рисберма, предназначена для выполнения следующих четырех задач: 1) укреплять русло потока за водобоем от размыва; 2) создавать свободный выход подземному потоку, то есть она должна быть водопроницаемой; 3) тормозить донные скорости и тем самым приближать распределение скоростей по живому сечению к бытовому в конце рисбермы; 4) защищать лежащий под ней грунт от размыва подземным потоком и повышать устойчивость его против выпирания.

Для лучшего выполнения этих задач рисберму при необходимости усиливают в нижней части обратными фильтрами, а поверхность устраивают по возможности более шероховатой.

Конструкцию сливной части принимают из условия устойчивости ее против размыва и вымыва поверхностным и фильтрационным потоком.

Длина слива должна быть достаточной для гашения скорости до безопасных величин на размыв в отводящем русле. В случае большой разницы в ширине отверстия сооружений и отводящего русла при определении длины слива (рисбермы) следует руководствоваться гидравлическим расчетом растекания потока.

Концевой участок устраивается в речных сооружениях и предназначается для недопущения подмыва рисбермы.

Для увеличения длины фильтрационного пути с целью уменьшения уклона подземного потока устраивают зубья и шпунтовые стенки в пределах понурной и водобойной части, о которых будет сказано ниже.

Подземный контур флютбета. Подземным контуром флютбета водоподпорных сооружений называют линию контакта (плоскость контакта) между грунтом основания и подземной частью флютбета. В подземный контур входят контактные линии понура, тела плотины, рисбермы, а также зубья и шпунтовые стенки.

Подземный контур в соответствии с его назначением имеет участки водонепроницаемые и водопроницаемые. Однако в фильтрационных расчетах принято к подземному контуру относить только водонепроницаемые части, на длине которых происходит гашение напора.

В пределах подземного контура различают горизонтальные и вертикальные пути фильтрации. Подземный контур, вытянутый в одну горизонтальную линию, называют развернутой длиной подземного контура (рис. 1.5).

Силы, действующие на флютбет. К основным силам, действующим на флютбет, относят: собственный вес флютбета, силу гидростатического давления воды, силу фильтрационного и взвешивающего давления, трение по боковым поверхностям флютбета, сцепление между подошвой флютбета и грунтом основания, а в отдельных случаях силу дефицита давления. Не все перечисленные силы одновременно учитывают, например, при определении коэффициента устойчивости флютбета в гидромелиоративных сооружениях обычно пренебрегают последними тремя силами.

Сила фильтрационного давления на флютбет направлена нормально к линии подземного контура, следовательно она может быть как горизонтальной, так и вертикальной.

При другом направлении сила фильтрационного давления может быть разложена на две составляющие – горизонтальную и вертикальную.

Составляющую вертикального направления называют силой фильтрационного противодавления.

На флютбет, погруженный в воду, действует сила взвешивающего давления. Она определяется глубиной погружения подошвы флютбета под уровень воды нижнего бьефа. Эта сила направлена вверх и ее называют взвешивающим противодавлением.

Общее противодавление W, действующее на горизонтальные участки подошвы флютбета, складывается из двух частей – фильтрационного W_ф и взвешивающего W_в:

W = W_ф+W_в, (1.3)

Эта сила учитывается при определении устойчивости флютбета на всплывание. Горизонтальная составляющая силы фильтрационного давления учитывается при расчете флютбета на сдвиг.

Графически фильтрационное и взвешивающее давление изображают в виде эпюр, построенных на горизонтальной проекции подземного контура или на его развернутой длине (рис. 1.7). Ординаты эпюр фильтрационного давления определяются расчетом, а ординаты эпюры взвешивающего давления — глубиной погружения рассматриваемой точки (плоскости) под уровень воды нижнего бьефа. Сила фильтрационного и взвешивающего давлений (на 1 м длины сооружения) равна площади эпюры рассматриваемого участка подземного контура, умноженной на плотность воды.

Рис. 1.7. Силовое воздействие воды на подземный контур водоподпорных сооружений:

а – разрез по водоподпорному сооружению; б – эпюра фильтрационного противодавления на горизонтальную проекцию флютбета; в – эпюра взвешивающего противодавления на горизонтальную проекцию флютбета; г – эпюра фильтрационного давления по развернутому контуру флютбета; д – заглубление точек подземного контура под уровень воды нижнего бьефа по развернутому контуру

Ординатами в эпюрах могут быть как давление (Па), так и напор (Н), применяемый чаще. Отсюда и понятие «эпюра напоров».
1.2. Методы фильтрационных расчетов
1.2.1. Условия фильтрационных расчетов
Задачи фильтрационных расчетов. На основании фильтрационных расчетов нужно так запроектировать подземное очертание гидротехнического сооружения, чтобы оно способно было уменьшить расходы воды под сооружением, снизить величину выходной скорости фильтрации и уменьшить расчетное давление на подошву флютбета до требуемых значений, т.е. запроектировать так называемый рациональный подземный контур, у которого при обеспечении прочности сооружения и устойчивости основания сочетаются следующие качества: экономичность и простота конструкции, приемлемость технологии выполнения, возможность использования местных строительных материалов, удобство эксплуатации сооружения.

Не всегда эти три задачи имеют одинаковую актуальность. Расход воды на фильтрацию под сооружением при малопроницаемых грунтах может не играть существенной роли, и определение его в таком случае носит лишь проверочный характер.

То же можно сказать о необходимости снижения противодавлений на водобойную часть. Если водобойная плита флютбета достаточно массивна и устойчива на скольжение, то можно не стремиться к снижению этих давлений, но определить их для выяснения безопасности условий будущей эксплуатации сооружения необходимо.

Скорость фильтрации при выходе потока в нижний бьеф нужно проверять всегда; если она окажется больше допустимой, то следует запроектировать крепление грунта за сооружением или принять другие меры для снижения ее до необходимых пределов с целью предотвращения фильтрационных деформаций грунта основания.

Однако независимо от степени актуальности той или иной задачи при проектировании подземного контура нужно решить все вопросы, связанные с движением фильтрационного потока под сооружением, т.е. определить:

1) распределение давлений по подземному контуру сооружения;

2) выходную скорость фильтрации (градиент напора);

3) расход фильтрационного потока.

Главной задачей при фильтрационных расчетах можно считать определение давлений, так как скорость фильтрации (градиент напора) в расчетной области фильтрации и фильтрационный расход сравнительно легко определить, если известно распределение давлений в области фильтрации под сооружением.

Уравнения фильтрационного потока. Основой фильтрационных расчетов в пористой среде служит закон Дарси

(1.4)

Отсюда расход фильтрационного потока определяется по формуле

(1.5)

где υ – скорость фильтрации;

k_ф – коэффициент фильтрации;

I – градиент напора;

ω – площадь поперечного сечения, включая поры и частицы грунта.

Закон Дарси справедлив для ламинарного потока и соблюдается в весьма широкой области изменения скоростей. Для установления применимости закона Дарси, когда имеются характеристики грунта (диаметр частиц, пористость, коэффициент фильтрации), существует ряд формул, приводимых в специальной литературе.

Допущения при фильтрационных расчетах. Все разнообразие факторов, встречающихся при движении фильтрационного потока в реальных условиях, расчетными формулами учесть невозможно. Это заставляет вводить некоторые упрощения и допущения.

Основные допущения при фильтрационных расчетах сводятся к следующему: 1) принимается плоское движение фильтрационного потока; 2) грунт в основании сооружений считается однородно-изотропным; при однородно-анизотропных грунтах переходят к эквивалентной в фильтрационном отношении схеме с однородно-изотропным грунтом, изменяя при этом размеры флютбета; 3) заданный напор на сооружение, не изменяется во времени, а это значит, что рассматривается установившаяся фильтрация; 4) коэффициент фильтрации остается постоянным; 5) температура воды считается неизменной; 6) принятая пористость грунта не изменяется со временем.

Характеристика основных методов расчета. К настоящему времени теория движения фильтрационных вод и методы расчета получили широкое развитие.

Предложенные многочисленные приемы и методы расчета по степени полноты и достоверности получаемых при расчетах результатов можно разделить на следующие группы:

Первая группа – эмпирические, в которых дается весьма приближенный ответ по определению давления грунтовых вод на отдельные части сооружений. Сюда относятся так называемый способ линейно-контурной фильтрация (ЛКФ) и все его разновидности. В настоящее время используют метод удлиненной контурной линии.

Вторая группа – гидравлические, основанные на приближенном решении задачи. Это наиболее распространенные методы, используемые в практических расчетах.

Третья группа – экспериментальные. Среди них наибольшее распространение получили метод ЭГДА (электро-гидродинамических аналогий). При помощи этого метода строят гидродинамическую сетку для любых подземных контуров флютбета. Гидродинамическую сетку можно построить и графическим способом («вручную»), зная свойства гидродинамической сетки и имея определенные навыки.

Применяют также экспериментальный метод исследования фильтрации в грунтовых лотках на моделях гидротехнических сооружений.

Четвертая группа – приближенные гидромеханические, основанные на упрощении аналитических решений. Сюда относятся метод фрагментов, метод коэффициентов сопротивлений и др.

В настоящее время метод удлиненной контурной линии и метод коэффициентов сопротивлений расчета фильтрации рекомендованы нормативными документами к применению для сооружений 3 и 4 классов.

следующая страница>