Проектирование обратных фильтров

Обратные фильтры – грунты определенного гранулометрического состава, укладываемые по мере возрастания крупности по направлению движения фильтрационного потока.

Обратные фильтры располагают на контакте дренажа с дренируемым телом плотины, с основанием, на контакте тела плотины с креплением верхового откоса каменной наброской и иногда на контакте ПФУ и боковых призм.

Для обратного фильтра используют имеющиеся карьерные грунты или искусственные материалы. Их подбирают из условия обеспечения фильтрационной прочности сопрягающих грунтов в месте контакта. Если естественный карьерный грунт оказывается непригодным, то проводят его обогащение или отсев крупных фракций.

Коэффициент неоднородности материалов обратных фильтров дренажей должен иметь следующие значения:

1 если η < 10 – грунт несуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра),

2 если η = 10…20 – грунт полусуффозионный (допустим в качестве обратного фильтра при определенных условиях),

3 если η > 20 – грунт суффозионный (не допустим в качестве обратного фильтра).

Число слоев обратного фильтра и их состав необходимо определять на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. При этом следует стремиться к созданию однослойных фильтров и только в исключительных случаях проектировать многослойные фильтры с возможно меньшим числом слоев.

При расчете однослойного или первого слоя многослойного обратного фильтра используют следующие обозначения:

D₅₀ - размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 50% массы всего грунта;

d₅₀- средний размер фракций I слоя обратного фильтра;

D₆₀- размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 60% массы всего грунта;

D₁₀- размер фракций тела дренажа, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 10% массы всего грунта;

- коэффициент неоднородности защищаемого грунта;

- коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра;

- коэффициент междуслойности.

Зерновой состав фильтра должен исключать проникание (просыпаемость) защищаемого грунта в поры фильтра, выпор и вдавливание частиц грунта в поры фильтра, размыв защи­щаемого грунта на границе с фильтром, отслаивание глинистого грунта на контакте с материалом фильтра, а также суффозию фильтра. В зависимости от типа плотины, а также грунтов ее тела и основания подбор первого слоя обратного фильтра выполняют исходя из различных условий.

При подборе фильтров возможны два случая:

1 первый – известны параметры карьерного грунта и заданы кривые гранулометрического состава,расчетом устанавливают применимость этих грунтов для фильтра;

2 второй — данные гранулометрического состава отсутствуют, кривые их определяют из условия отсутствия фильтрационных деформаций.

Обратные фильтры можно подобрать по графикам, разработанным В. С. Истоминой [3], рис. 3.13, стр. 134..

Принцип их построения основан на разделении поля графика на две области - допускаемых (ниже кривой) и недопускаемых (выше кривой) характеристик. По осям графиков откладывают характеристики грунтов; если они пересекаются в области допускаемых значений, грунт можно использовать для фильтра, если же они пересекаются в области недопускаемых значений, то грунт нельзя использовать для фильтра.

Подбор зернового состава второго и последующих слоев многослойного фильтра ведут по тем же графическим зависимостям [3], рис. 3.13а,б,в, стр. 134 полагая, что через d_i и D_i соответственно обозначены размеры фракций предыдущего и последующего слоев фильтра.

Толщину слоев обратного фильтра назначают с учетом производства работ и технико-экономических расчетов. По фильтрационным условиям толщина каждого слоя должна быть не менее 5D₈₅, но не меньше 0,2 м.

Подбор обратных фильтров

Обратные фильтры располагаем на контакте дренажа и дренируемого тела плотины или основания. Для обратного фильтра используем имеющиеся карьерные грунты. Обратные фильтры допускается не устраивать при контакте дренажа с телом плотины, если оно сложено гравелистыми песками, гравийными грунтами и др. При расчете однослойного обратного фильтра используем следующие обозначения:

- размер фракции защищаемого грунта;

- размер фракции первого слоя обратного фильтра;

- коэффициент неоднородности защищаемого грунта;

- коэффициент неоднородности первого слоя обратного фильтра;

- коэффициент междуслойности.

Тело плотины – тело дренажа

Так как контактируют несвязный грунт тела плотины с несвязным грунтом тела дренажа, то необходимость устройства обратного фильтра будем проверять по 1 графику В.С. Истоминой (стр.134 рис.3.13[1]). Для этого вычисляем значения коэффициента неоднородности и коэффициента междуслойности .

Для грунта плотины № 7: Для грунта дренажа № 12:

При =19,56 и =11,34 точка пересечения находится в зоне II, то есть необходим обратный фильтр. Примем в качестве обратного фильтра грунт № 8

Для грунта № 8:

Для грунта № 7:

Точка с этими координатами попадает в зону допустимых значений, то есть является обратным фильтром, толщину примем 0,2 м.

Итак, грунт № 8 под действием фильтрационного потока может проникнуть в грунт № 12, заметим, что этот грунт несвязный, значит для его защиты может понадобиться дополнительный слой, где крупность ниже чем у грунта №12 и выше чем у №8, например грунт № 10.

Для грунта плотины № 10: Для грунта дренажа № 12:

Точка с этими координатами находится в допустимой зоне, значит является обратным фильтром для грунта №8 и №12.