Условие местной фильтрационной устойчивости – объем грунта, слагающего основание в выходном элементе подземного контура, должен быть достаточно устойчивым к возникновению местного выпора и, что то же самое, к потери устойчивости.
Оценку местной устойчивости основания сооружения со стороны нижнего бьефа для несвязных грунтов или связных, если принять (в запас) сцепление С = 0, из расчета возможности возникновения местного выпора грунта рекомендуется производить по способу B. C. Баумгарта и Р. Н. Давиденкова, т.е. должно удовлетворяться условие:
(1.75)
где hoc – величина остаточного напора на конце выходного зуба (или шпунта);
Sвых – заглубление низового зуба (или шпунта) в основание, считая от плоскости контакта грунта и первого слоя фильтра;
t – толщина слоя пригрузки, состоящей из обратного фильтра, дренажа и плиты (или отмостки) рисбермы.
Если условие (1.75) выполнено, то выпор грунта невозможен. В противном случае, при обратном неравенстве (1.75)необходимо увеличить толщину пригрузки t или же величину заглубления зуба Sвых, что эквивалентно уменьшению среднего выходного градиента Iср.
Устойчивость несвязного грунта из условия недопущения возникновения местного выпора в нижнем бьефе можно проверять также неравенством
(1.76)
где Iср – определяется по зависимости (1.39);
γвзв и γпрвзв – соответственно плотность грунта основания и материала слоя пригрузки во взвешенном состоянии, определяемые по зависимости
(1.77)
где n – пористость грунта основания или материала фильтра;
е – коэффициент пористости грунта основания или материала фильтра;
γs – плотность твердых частиц грунта основания или твердых частиц материала фильтра.
Следует отметить, что в пространственных условиях фильтрации (по данным БелНИИМ и ВХ) при необеспечении подземным контуром сооружения условий местной прочности и устойчивости в нижнем бьефе с учетом значительно меньшей эффективности внутренних шпунтов и уступов в снижении фильтрационного напора, казалось бы, целесообразнее развивать подземный контур до необходимых размеров только за счет увеличения длин горизонтальных элементов подземного контура, например, понура. Однако при пространственной фильтрации увеличение горизонтальных путей фильтрации менее эффективно, чем в условиях плоской фильтрации. Это объясняется тем, что при увеличении длины горизонтальных элементов подземного контура (l0) уменьшается коэффициент λ = bn/l0, характеризующий пространственную схему фильтрации сооружения, а следовательно, возрастает влияние пространственного растекания фильтрационного потока на увеличение его основных расчетных параметров: фильтрационного давления, остаточного напора, средних на выходном зубе (или шпунте) и максимальных на выходе градиентов фильтрации. В результате цель достигается очень медленно, причем размеры горизонтальных элементов подземного контура, как правило, намного превысят рекомендованные оптимальные значения Гораздо быстрее достичь выполнения условий местной прочности и устойчивости в нижнем бьефе можно увеличением длины верхового шпунта и расположением его по возможности со стороны верхнего бьефа или же рациональным сочетанием одновременного увеличения длин как вертикальных, так и горизонтальных элементов подземного контура.
Выполнения условий местной прочности и устойчивости в нижнем бьефе можно добиться и за счет увеличения глубины выходного зуба или шпунта. Следует отметить, что в пространственных условиях фильтрации этот прием из-за сильного подпора, оказываемого выходным зубом или шпунтом, менее рационален, так как связан с интенсивным возрастанием фильтрационного давления на водобое и остаточного напора на выходном зубе или шпунте. В результате выполнение условий местной фильтрационной устойчивости против выпора в нижнем бьефе нередко может быть достигнуто за пределами оптимальных размеров подземного контура сооружения.
Недостаточно оправдано и применение в упомянутых выше целях специально подобранных обратных фильтров, так как это неизбежно связано с увеличением напряженности их работы (что ограничивается величинами допускаемых градиентов фильтрации при контактном выпоре, равными Iв = 1,5...2,0) и необходимостью расположения их под плитой водобоя. Последнее обстоятельство, непременно, осложнит условия работы и контроля фильтров, а при необходимости и затруднит их замену. В противном случае расположенный за пределами водобойной плиты (за зубом или шпунтом) напряженно работающий обратный фильтр (совместно с пригружаемым грунтом) не сможет обеспечить условия местной устойчивости нижнего бьефа против деформаций выпора.
Следовательно, при значительных напорах на сооружение достичь выполнения условий местной фильтрационной прочности и устойчивости в нижнем бьефе при пространственной фильтрации намного труднее, чем при плоской. Основным средством при этом (в отличие от плоской фильтрации) остается, как ни парадоксально, значительно менее эффективный в гашении фильтрационного напора внутренний шпунт. В то же время при менее значительных напорах, когда условия фильтрационной прочности и устойчивости сооружения позволяют, во многих случаях разработанная методика гидротехнического расчета дает возможность использовать флютбеты без внутреннего шпунта (бесшпунтовые), но с выходным зубом (или шпунтом).
1.6. Фильтрация воды в береговых примыканиях
1.6.1. Общие сведения
Бетонные гидротехнические сооружения примыкают своими торцевыми частями – устоями к берегам или грунтовым плотинам. При наличии подпора, создаваемого ими, в грунтах береговых примыканий возникает обходной безнапорный фильтрационный поток, направленный от верхнего бьефа к нижнему.
Фильтрационный поток в зоне обходной фильтрации носит пространственный (трехмерный) характер. Точно определить параметры такого сложного фильтрационного потока затруднительно.
При фильтрации в обход устоя пространственная картина движения фильтрационного потока, сочетается с напорной фильтрацией под бетонным водоподпорным сооружением.
Фильтрационный поток, обтекающий береговые устои, является безнапорным. Случай напорной фильтрации за устоем возможен, но он встречается очень редко (в пластах, ограниченных сверху и снизу водоупорами). Обходная фильтрация оказывает силовое воздействие на обтекаемый устой, что приводит к увеличению его размеров. Для уменьшения гидростатического давления фильтрационного потока со стороны засыпки нужно понизить отметки поверхности депрессионной кривой. Это достигается устройством обратных стенок, установкой водонепроницаемых диафрагм и применением дренажа.
1.6.2. Фильтрационные расчеты
Учитывая пространственный характер фильтрационного потока, обтекающего устой, для сооружении I и II классов задачи обходной фильтрации решают моделированием методом ЭГДА. Для низконапорных сооружении мелиоративного назначения используют упрощенные методы расчета.
При изучении фильтрации в обход устоев важно определить положение кривой депрессии, опоясывающей устои со стороны грунта, и значения градиентов напора.
Упрощенный метод расчета обходной фильтрации. При этом методе принимают плоскую схему по контакту тыловой поверхности устоя с грунтом засыпки. В грунтовых плотинах линию контакта называют обходным контуром устоя.
Задача безнапорной фильтрации в обход тыловой поверхности устоя сводится к построению опоясывающей устой кривой депрессии.
Фильтрацию по тыловой поверхности устоя рассматривают по схеме однородной плотины с дренажем или без дренажа. Характер движения фильтрационного потока за устоем пояснен на рисунке 1.36. Расчетная схема такой фильтрации приведена на рисунке 1.36, г. Для построения кривой депрессии используют формулу Дюпюи:
(1.78)
где hx и х – координаты кривой депрессии;
L0 = Lур + 0,4H1 + 0,4Н2, (1.79)
Lур – расстояние между уровнями воды в ВБ и НБ по развернутой длине берегового устоя (на рисунке между точками А и В). Дополнительные потери напора на вход и выход в грунтовом массиве учитываются значениями 0,4 H1 и 0,4 H2.
Все параметры, входящие в формулу (1.78), определяют по расчетной схеме, вычерченной в масштабе.
Средний градиент напора на контакте грунт – бетон:
Iср = Н/L0. (1.80)
Удельный фильтрационный расход для рассматриваемой схемы равен:
(1.81)
где Кф – коэффициент фильтрации грунта обратной засыпки.
Фильтрация в обход береговых примыкании плотин из грунтовых материалов рассмотрена в разделе 3.
Рис. 1.36. Схемы к расчету обходной фильтрации за устоем:
а – план устоя с обратными стенками; б – кривая депрессия в примыкании к устою (в схеме а); в – план устоя с примыкающими к нему сопрягающими стенками и с диафрагмой; г – расчетная схема для фильтрационных расчетов по упрощенному методу Р.Р. Чугаева (в схеме в); 1…9 – развертка устоя (схема в); 15 – диафрагма; 1…6 – опоясывающая устой кривая депрессии (схема а); 7 – затворы; 8 – устой; 9 – обратные стенки;
10, 13 – урезы воды в верхнем и нижнем бьефах; 11 – гидроизогинсы; 12 – линии токов;
14 – кривая депрессии
<предыдущая страница