Определение остаточного напора на выходном элементе подземного контура. Для оценки местной фильтрационной прочности грунта основания в зоне выхода потока в нижний бьеф необходимо знать величину остаточного напора на выходном элементе подземного контура.
Остаточный напор на выходном элементе (на острие выходного (низового) зуба или шпунта) определяют по зависимости
hос = εhвых, (1.34)
где hвых – потери напора на выходе определяются по эпюре фильтрационного давления (см. рис. 1.10) (без учета поправки δ);
ε – коэффициент, для случая 0,7 ≤ Т2/Т1 ≤ 1,0 и S/T2 > 0,1 определяют по приближенной формуле
ε ≈ 0,8 – 0,3S/T1, (1.35)
где Т1 и Т2 – расчетное заглубление водоупора перед зубом (шпунтом) и за зубом (см. рис. 1.11)
S – глубина зуба (шпунта).
При выходном элементе, не имеющем выходного зуба (или шпунта) остаточный напор в точке b (рис. 1.11) определяется по зависимости (1.31).
Рис. 1.11. К определению напора на нижнем конце выходного шпунта (в точке в)
Определение градиентов в плоскости дна нижнего бьефа. В месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф, в точке примыкания водобоя к рисберме (точка 7 на рис. 1.7), будет максимальный выходной градиент Iвых. Исходя из величины этого градиента, ведут расчет поверхностной суффозии и проектируют обратные фильтры, покрывающие дно нижнего бьефа.
Для определения его численного значения прежде всего необходимо найти глубину залегания расчетного водоупора по выходному градиенту Т"расч, в соответствии с которой вычисляются значения коэффициентов сопротивления отдельных элементов контура и их сумма 
. Величина максимального выходного градиента Iвых рассчитывается по формуле C. Н. Нумерова:
(1.36)
где α – коэффициент, определяемый в зависимости от отношений S/T1 и Т2/Т1 по формуле
(1.37)
Т1 иТ2 – соответственно глубины водоупора справа и слева от шпунта глубиной S.
Коэффициент α можно также определить и по графику, приведенному на рис. 1.12 [63].
Рис. 1.12. График для определения коэффициента
При расположении водоупора на большой глубине, когда Т"расч = = Т"ак, в формулу (1.36) вводят коэффициент 1,1. В противном случае она дает несколько заниженные значения, т.е.
(1.38)
Расчеты показывают, что максимальный выходной градиент в 1,5- 2,5 раза больше, чем максимальный градиент напора на горизонтальном участке.
Необходимо отметить, что значения выходных градиентов фильтрации Iвых в плоскости дна нижнего бьефа на любом расстоянии от края флютбета можно вычислить по графикам С. Н. Нумерова в зависимости от отношения X/Sвых и Sвых/T для приведенного выходного элемента контура (см. рис. 1.13).
Рис. 1.13. Зависимость J/Jвых = f(x/Sвых : Sвых/Т), по С.Н. Нумерову,
для плоской схемы фильтрации
Величина среднего градиента фильтрации на выходе (выходном зубе или шпунте) определяется по формуле
(1.39)
где hoc – величина остаточного напора, определяемая по формуле (1.34);
Sвых – величина заглубления выходного зуба или шпунта в грунт основания ниже отметки слоя фильтра со стороны нижнего бьефа (см. рис. 1.14) [4].
Рис. 1.14. Конструкция выхода фильтрационного потока в НБ:
а и б – рекомендуемая, с уступом; в, г – не рекомендуемая, без уступа;
а, в – без выходного зуба; д, г – с выходным зубом
Определение осредненного градиента фильтрации подземного контура. Величины осредненных градиентов фильтрационного потока Iср необходимы для оценки обшей фильтрационной прочности основания сооружения в плоскости контакта водонепроницаемой части подземного контура.
Для обычно встречающегося случая подземного контура, когда l≥ S, где S – глубина шпунта; l – расстояние между шпунтом (или же длина наибольшего горизонтального участка подземного контура при одном шпунте), величины осредненных градиентов фильтрации вычисляют по формуле:
(1.40)
где (Трасч)ср – средняя глубина расчетного водоупора по напору, устанавливаемая по формулам (1.17) или (1.18) при определении коэффициентов сопротивления ξi элементов подземного контура,
(1.41)
– суммарный коэффициент сопротивления элементов подземного контура, определенный при Трасч.
где Т1 – заглубление расчетного водоупора под дном верхнего бьефа;
Т2 – под подошвой понура и т.д.;
m – число значений Т, введенных в формулу.
В случае распластанного подземного контура, удовлетворяющего условиям:
(1.42)
величина осредненного градиента фильтрации определяется по зависимости
(1.43)
где L – развернутая длина подземного контура.
1.2.4. Расчет фильтрации методом удлиненной контурной линии
В основу метода, разработанного Р. Р. Чугаевым, положено допущение о линейном изменении напора по длине подземного контура с учетом более эффективных потерь на вертикальных путях фильтрации при входе и на выходе. Этот метод позволяет построить эпюру напоров и определить градиенты на отдельных участках контура (входе, выходе и по длине между ними). При определении напоров расчет ведут при Трасч, а выходного градиента при Трасч с использованием виртуальной длины подземного контура Lвир, определяемой по зависимости
Lвирт = Lд + 2·0,44Трасч. (1.44)
Графически виртуальная длина получится, если в обе стороны от концов действительной длины развернутого подземного контура отложить отрезки, равные 0,44 Трасч. Этими отрезками учитывают потери напора на входных и выходных участках контура.
Эпюру напоров вначале строят на виртуальной длине (линия А' В), а затем ее в пределах действительной длины на входных и выходных вертикальных участках исправляют (см. рис. 1.26). Во входной части исправление сводится к следующему. Из точки А', отвечающей действующему напору, проводят горизонтальную линию до пересечения с вертикалью, опущенной из точки 1. После этого точку 1' соединяют с точкой 2', лежащей на прямой А'В. В концевой части исправление сводится к проведению наклонной линии 8'-10, где точка 8' лежит на прямой А'В'.
После такой перестройки ординаты эпюры напоров на действительной длине контура будут находиться на ломаной линии 1'—2'— 8'—10.
Градиент напора вдоль горизонтальных участков контура определяют по формуле
(1.45)
Максимальный выходной градиент можно с приближением определить так:
(1.46)
где lвых и hвых – соответственно длина концевого вертикального участка контура и потеря напора на этой длине. На эпюре напоров (рис. 1.26) это будет участок 8-10, ордината 8—8', но вычисленная при Т''расч.
1.2.5. Фильтрационный расчет с учетом анизотропии и неоднородности грунта основания
В случае анизотропного или неоднородного (в фильтрационном отношении) основания вначале нужно определить глубину активной зоны фильтрации по напору Т'ак. Грунты, залегающие на глубине большей чем Т'ак, не влияют на картину фильтрации в области подземного контура сооружения, т. е. анизотропию или неоднородность грунта основания следует учитывать только в пределах активной зоны фильтрации.
Учет анизотропии основаниям. В случае однородного анизотропного грунта основания, когда экстремальные значения коэффициента фильтрации соответствуют горизонтальному и вертикальному направлениям, расчет можно выполнить способом Дахлера. Согласно данного способа расчет выполняют в следующей последовательности:
1) Все горизонтальные размеры рассматриваемой схемы подземного контура умножают на величину
(1.47)
где Kв – коэффициент фильтрации грунта в вертикальном направлении;
Кг – коэффициенты фильтрации грунта в горизонтальном направлении;
2) полученную искаженную схему сооружения рассчитывают как схему сооружения, расположенного на однородном изотропном основании, в результате чего определяют напор фильтрационного потока в различных точках основания искаженной схемы;
3) полученные напоры относят к действительному сооружению (к действительной схеме) путем деления всех горизонтальных размеров искаженной схемы на величину а;
4) зная напоры в отдельных точках основания, находят противодавление, необходимые пьезометрические уклоны и другие гидродинамические элементы потока [63].
Учет неоднородности основания. Здесь рассматривается только основание, образованное горизонтальным напластованием различных грунтов.
Случай, когда сравнительно тонкие прослойки маловодопроницаемого грунта с коэффициентом фильтрации K1 перемежаются со сравнительно тонкими прослойками сильноводопроницаемого грунта с коэффициентом фильтрации К2 (рис. 1.15). В этом случае действительное основание (рис. 1.15, а) заменяется основанием, выполненным из однородного грунта (рис. 1.15, б), характеризуемого «вертикальным коэффициентом фильтрации»
(1.48)
и «горизонтальным коэффициентом фильтрации»
Рис. 1.15. К расчету многослойного напластования грунтов:
а – действительная схема; б – расчетная
(1.49)
где tl и t2 – толщины отдельных слоев (рис. 1.15).
Полученное анизотропное основание рассматривается согласно п. 1.2.4.1.
Случай двухслойного напластования грунта (рис. 1.16). Здесь следует различать четыре случая.
Рис. 1.16. К расчету двухслойного напластования грунтов,
когда К2 0,1К1 и К1 > К2 > 0,1 К1
1-й случай, когда
К2 ≤ 0,1К1.
где К2 – коэффициент фильтрации нижнего слоя;
K1 – коэффициент фильтрации верхнего слоя.
В данном случае нижний слой можно рассматривать как водоупор, линия MN.
2-й случай, когда K1 > K2 > 0,lK1.
В этом случае поверхность водоупора можно принимать по линии, лежащей ниже линии MN на величину
(1.50)
где t2 – мощность нижнего слоя.
Основание, в данном случае, следует рассматривать как однородное с коэффициентом фильтрации, равным К1.
3-й случай, когда K2 ≥ 10K1.
Здесь нижний слой грунта практически можно рассматривать как абсолютно водопроницаемый слой, т. е. К2 = ∞. При этом область нижнего слоя грунта должна рассматриваться как область постоянного напора, равного H/2 (рис. 1.17).
Рис. 1.17. К расчету двухслойного напластования грунтов, когда К2 10К1
Картина фильтрации в данном случае получает вид, показанный на рис. 1.17. Как видно из рисунка, граничная линия тока, отделяющая верхний поток воды, движущийся только в пределах верхнего слоя грунта, имеет вид кривой abc. При расчете эта кривая могла бы быть принята за расчетную поверхность водоупора. Однако положение кривой abc нам неизвестно. Поэтому фильтрационный расчет в этом случае невозможно выполнить по методу коэффициентов сопротивления, а следует обращаться к экспериментальному методу ЭГДА. Выходной градиент (в области нижнего бьефа) вдали от плотины в данном случае равен
(1.51)
4-й случай, когда K1 < K2 < 10K.
Здесь искомые данные лежат в промежутке между данными, найденными для случая, когда грунт однороден, причем поверхность водоупора совпадает с линией АА (pиc. 1.17), и для случая, когда грунт однороден, причем поверхность водоупора совпадает с кривой abc. В этом случае при расчете также следует обращаться к экспериментальному методу ЭГДА.
Случай большого числа напластований грунта [трехслойного, четырехслойного и т. д.]. В этом случае надлежит следовать указаниям, приведенным выше применительно к двухслойному напластованию:
1) при расчете верхних слоев грунта считать абсолютно водонепроницаемыми те нижние слои грунта, коэффициент фильтрации которых весьма мал (менее 0,1 коэффициента фильтрации верхних слоев),
2) считав абсолютно водопроницаемыми те подстилающие слои грунта коэффициент фильтрации которых весьма велик (более чем в 10 раз отличается от коэффициента фильтрации верхних слоев);
3) применять поясненное выше правило приведения неоднородных грунтов к однородным (когда нижележащие слои грунта являются менее водопроницаемыми чем вышележащие слои). В основном, однако, при выполнении окончательных расчетов ответственных сооружений приходится в данном случае пользоваться экспериментальным методом ЭГДА.
1.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации
1.3.1. Роль дренажей и шпунтовых стенок в подземном контуре
Понятие о дренажах. Дренажами называют устройства, обеспечивающие прием и отвод профильтровавшейся воды и снижение фильтрационного давления, если они расположены в пределах водонепроницаемой части подземного контура.
Дренажи выполняют из грунтового материала с повышенным коэффициентом фильтрации по отношению к контактируемому с ним грунту. Для дренажей применяют гравий, гальку, гравийно-галечниковую смесь, а также крупные пески. В последнее время в качестве дренажей используют пористый бетон и минеральные волокнистые материалы.
В водоподпорных сооружениях находят применение два типа дренажей: плоский – горизонтальный и вертикальный – глубинный. Плоские дренажи представляют собой постель из грунтовых материалов со значительным коэффициентом фильтрации. Вертикальные дренажи представляют собой буровые скважины. В редких случаях применяют и другие типы дренажей в виде галерей или траншей, заполненных пористыми материалами.
Дренажи служат мощным средством, позволяющим управлять фильтрационным потоком, протекающим как под флютбетом сооружения, так и в обход береговых стенок.
Составные части дренажей. Любой дренаж должен состоять из двух частей – водоприемной, примыкающей к грунту, в котором движется фильтрационный поток, и водоотводящей, предназначенной для отвода воды за пределы дренажа. Не во всех дренажах эти две части явно выражены, но они обязательно имеются. В некоторых случаях водоприемная часть дренажа одновременно выполняет роль и отводящей.
Обратные фильтры дренажей. Водоприемная часть дренажа контактирует с грунтом, в котором движется фильтрационный поток. В крупнопористом дренаже, например выполненном из камня или гравийно-галечниковой смеси, частицы контактируемого грунта под воздействием фильтрационного потока могут попасть в поры дренажа. Для предупреждения такого перемещения по линии контакта грунта с дренажем укладывают обратные фильтры, располагая их в один или несколько слоев. Толщину каждого слоя обратного фильтра принимают не менее 0,2 м.
В многослойных обратных фильтрах частицы грунта последующего слоя будут больше частиц групп предыдущего слоя, обеспечивая при этом непроникновение мелких частиц в более крупные поры последующего слоя под воздействием фильтрационного потока. Частицы грунта в обратных фильтрах подбирают по графикам или рассчитывают по формулам.
Обратный фильтр выполняет функцию прослойки, сопрягающей крупнообломочный (щебеночный) или гравийный материал дренажа с защищаемым грунтом основания. Он также предохраняет грунт основания от опасного развития суффозии, устраняет возможность разрушения его от деформаций контактного выпора и вместе с дренажем и водопроницаемыми плитами крепления рисбермы является пригрузкой, обеспечивающей местную устойчивость грунта основания в нижнем бьефе против выпора. Необходимо стремиться, если это возможно, к минимальному количеству слоев обратного фильтра. Минимальная толщина дренажа по конструктивным и производственным соображениям принимается равной 0,2 м. При проектировании надо добиваться того, чтобы точки резкого перелома подземного контура не лежали в области поверхностного слоя основания, так как в последних градиенты и скорости фильтрации теоретически стремятся к бесконечности (точка в на рис. 1.14, в, г). Иначе, несмотря на устройство фильтра, в защищаемом грунте неизбежно развитие деформаций суффозии и контактного выпора (о фильтрационных деформациях будет сказано ниже).
Поэтому конструкция плоского выхода недопустима (рис. 1.14, в, г). Следовательно, острие зуба или шпунта должно располагаться на некоторой достаточной глубине, обеспечивающей конечные (допустимые) значения выходных градиентов Jвых на контакте грунта и фильтра (рис. 1.14, а, б).
По данным исследований БелНИИМиЛ, толщина слоя обратного фильтра должна быть такой, чтобы в нем сформировался грунтовой скелет соответствующего гранулометрического состава. По фильтрационным условиям она принимается не менее Tмин ≥ (5…7)D85.
В зависимости от способа производства работ минимальную толщину слоя фильтра принимают:
1) при ручной укладке, разравнивании и уплотнении – 10 см;
2) при механической укладке, разравнивании и уплотнении – 20 см;
3) при отсыпке фильтра в текущую воду:
для однослойного фильтра – не менее 75 см;
для двухслойного и более – каждый последующий слой должен быть ≥ 50 см.
Число слоев обратного фильтра определяют в зависимости от конкретных условий. Однако всегда нужно стремиться к минимальному их количеству.
Длина укладки фильтра (пригрузки) в нижнем бьефе определяется графоаналитически на основании сопоставления эпюры выходных (максимальных) градиентов фильтрации по оси сооружения и допускаемого выходного градиента для грунта основания.
Методика подбора обратных фильтров более подробно изложена в четвертом разделе.
В некоторых случаях дренаж может состоять только из одних слоев обратного фильтра. Такие дренажи (обратные фильтры) обычно применяют под плитами водобоя или под подошвой тела плотины, а также на рисберме, когда покрытием ее служат бетонные плиты.
Местоположение дренажей. Дренажи в водоподпорных сооружениях располагают за пределами водонепроницаемой части подземного контура или в пределах ее. Напорный фильтрационный поток, протекающий в основании, поступает в нижний бьеф на участке рисбермы, которую, как указывалось ранее, выполняют водопроницаемой. Для предупреждения выноса частиц грунта основания фильтрационным потоком под рисбермой укладывают дренаж, защищенный обратным фильтром, или в качестве дренажа используют только обратные фильтры.
Дренажи (обратные фильтры), располагаемые под водонепроницаемой частью подземного контура, не только обеспечивают выпуск профильтровавшейся воды из основания, но и снимают или уменьшают фильтрационное противодавление на флютбет. Если плоский дренаж (обратный фильтр) расположить под водобойной плитой (рис. 1.18, б), фильтрационное противодавление будет снято на той части длины его, на которой он расположен, и наряду с этим оно уменьшится и на участке контура, расположенном в направлении к верхнему бьефу.
Рис. 1.18. Схемы размещения дренажей и эпюры давления фильтрационного потока вдоль подземного контура:
а – за водобоем, под рисбермой; б – под водобоем; в – под телом плотины; г – в конце понура; 1 – дренаж; 2 – дренажная галерея
Дренаж может быть расположен и под подошвой тела плотины одновременно с дренажем под водобоем (рис. 1.18, в). В этом случае на обоих участках контура фильтрационное противодавление будет снято. Применяют схемы с дренажем в конце понура (рис. 1.18, г), а в качестве дренажа используют галереи.
Устраивая дренаж под водобоем или под подошвой плотины, необходимо обеспечить беспрепятственный отвод профильтровавшейся воды в нижний бьеф. Для этого дренажи соединяют с рисбермой или в плитах водобоя устраивают сквозные отверстия, через которые и выпускают воду. Флютбеты со сквозными отверстиями для выпуска воды в нижний бьеф называются сквозными.
Устройство дренажей (обратных фильтров) в пределах водонепроницаемой части подземного контура наряду с уменьшением или полным снятием фильтрационного противодавления ведет к увеличению гидравлических градиентов. Если эти градиенты превосходят допускаемые, подземный контур удлиняют.
Шпунтовые стенки и их местоположение. Для увеличения длины подземного контура, когда градиенты напора для грунта основания превосходят допускаемые, применяют вертикальные противофильтрационные элементы – шпунты, завесы, диафрагмы и зубья. Эти элементы, удлиняя путь фильтрации, тем самым снижают фильтрационное давление на расположенные за ними горизонтальные элементы флютбета. Шпунтовые ряды (завесы) в зависимости от глубины залегания поверхности водоупора устраивают висячими (не доведенными до водоупора) или совершенными (доведенными до водоупора). Их выполняют из дерева, металла и железобетона. Глубина забивки их определяется, прежде всего, материалом, из которого они сделаны. Деревянные шпунтовые стенки можно забивать на глубину до 5-6 м, металлические до 20-30 м, но это не является пределом их погружения. Шпунтовые стенки на глубину меньше 2 м забивать не рекомендуется. В тех случаях, когда забивка шпунтов по каким-либо причинам затруднительна или невыгодна, устраивают зубья, противофильтрационные завесы методом “стена в грунте или диафрагмы”. Перед жестким понуром (обычно в анкерных понурах) для перекрытия возможной Щели между ним и основанием всегда предусматривают зуб или шпунтовый ряд. Примыкание шпунтовых рядов к бетонным элементам должно обеспечивать горизонтальное перемещение и самостоятельную осадку сооружения без давления на шпунт, иначе последний момент вызвать концентрацию растягивающих напряжений в бетоне.
Шпунтовые стенки устраивают в начале понура (только при анкерном понуре), в стыке понура с водобоем (королевая или верховая) для снижения фильтрационных давлений на водобойную часть, а в конце водобоя (низовая шпунтовая стенка) – для уменьшения выходных скоростей фильтрации или выходных градиентов напора.
Глубина шпунтовых стенок определяется гидротехническим расчетом и предварительно рекомендуется размещать на расстоянии равном или большем суммы глубин соседних шпунтов, т. е. l > (S1 + S2), где S1 и S2 – соответственно глубина шпунта в начале и в конце горизонтального участка длиной l. При более близком расположении шпунтов их эффективность резко падает, и давление на горизонтальные элементы, расположенные между ними, возрастает по сравнению с давлением, возникающим при наличии одного только верхнего шпунта.
<предыдущая страница | следующая страница>