Фильтрационный режим плотин

ЛЕКЦИЯ 6

Фильтрацией называется движение жидкости в пористой или трещиноватой среде. С точки зрения конструирования сооружений фильтрационный расчет во многих случаях имеет превалирующее значение, например, при проектировании подземного контура сооружений, при проектировании дренажных устройств, при определении контура грунтовых плотин и др.

При выполнении фильтрационного расчета обычно определяются следующие характеристики фильтрационного потока:

· Положение кривой депрессии;

· Давление в различных точках области фильтрации (например, по подошве сооружения);

· Скорости фильтрации в различных заданных точках области фильтрации (например, на поверхности дна нижнего бьефа);

· Полный фильтрационный расход или частичные расходы фильтрационного потока;

· Гидродинамическая сетка фильтрации или линии равных напоров.

Главнейшими вопросами, решаемыми на основе фильтрационного расчета, являются:

· Проверка устойчивости в отношении размыва (суффозии) грунта в сооружении и его основания;

· Определение устойчивости бетонных плотин на плоский сдвиг.

· Определение устойчивости откосов грунтовых плотин;

· Определение размеров противофильтрационных устройств (экранов, понуров, ядер, зубьев, шпунтов и др.);

· Определение размеров дренажных устройств.

Основным законом фильтрации является закон Дарси, который был установлен экспериментальным путем в 1856 г. и имеет вид (рис. 6.1):

фильтрационный режим плотин - student2.ru или фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — скорость фильтрации;

Δh — потери напора на участке длиной l;

l — длина рассматриваемого участка;

фильтрационный режим плотин - student2.ru — эмпирический коэффициент фильтрации, характеризующий физические свойства грунта в отношении его водопроницаемости и имеющий размерность скорости. Коэффициент фильтрации показывает скорость фильтрации при единичном градиенте напора фильтрационный режим плотин - student2.ru . Для предварительных расчетов значения фильтрационный режим плотин - student2.ru можно принимать в соответствии с табл. 2 СНиП 2.06.05-84*.

Учитывая, что фильтрационный режим плотин - student2.ru , получаем:

фильтрационный режим плотин - student2.ru .

фильтрационный режим плотин - student2.ru

Рис. 6.1. Графическое представление закона Дарси

Из последнего уравнения следует, что потери напора на участке l линейно зависят от скорости движения потока, что говорит о том, что движение фильтрационного потока является ламинарным.

Метод коэффициентов сопротивления Чугаева Р. Р. построения эпюры
фильтрационного давления для бетонных плотин на нескальном основании

Характеристики фильтрационного потока (уровни, давления, градиенты напора, расходы) для плотин I, II и III классов надлежит определять методом ЭГДА, а также при помощи математического моделирования, принимая задачу:

· для русловых участков плотины — двумерной в вертикальных разрезах;

· для береговых участков — двумерной в плане и вертикальных разрезах по линиям тока или пространственной.

Для плотин IV класса и при предварительных расчетах плотин I, II и III классов характеристики фильтрационного потока допускается определять приближенными аналитическими методами (коэффициентов сопротивлений, фрагментов и др.).

Учитывая сказанное, рассмотрим метод коэффициентов сопротивлений, который рекомендуется к использованию СНиП 2.06.06-85 — Плотины бетонные и железобетонные.

Метод коэффициентов сопротивления, основанный на методе фрагментов Павловского Н. Н., предполагает разделение принятого подземного контура на вертикальные и горизонтальные элементы (рис. 6.2):

· Входной и выходной (1 и 7 фрагменты), которые могут быть как со шпунтами так и без них;

· Внутренние вертикальные участки, в том числе шпунты и уступы.

· Горизонтальные элементы 4-5, 8-9.

Вдоль линии подземного контура от одной точки к другой имеют место потери напора Δh1, Δh2, Δh3 и т. д.

Суммарный потерянный напор будет равен сумме потерянных напоров:

фильтрационный режим плотин - student2.ru

Потерянный напор на каждом участке определяется из закона Дарси:

фильтрационный режим плотин - student2.ru è фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — коэффициент сопротивления, зависящий от геометрии фрагмента.

фильтрационный режим плотин - student2.ru

Рис. 6.2. Схема к методу коэффициентов сопротивления Чугаева Р. Р.

Вместе с тем фильтрационный режим плотин - student2.ru , откуда фильтрационный режим плотин - student2.ru è фильтрационный режим плотин - student2.ru .

Для возможности применения указанных выражений для расчета фильтрации необходимо задать нижнюю границу фильтрационного потока для всех расчетных случаев, в том числе и при очень глубоком залегании водоупора.

Чугаев Р. Р. решил эту задачу введением понятия активной зоны фильтрации, которая соответствует такой фиктивной глубине залегания водоупора фильтрационный режим плотин - student2.ru , при увеличении которой эпюра противодавления, значения выходного градиента и величина фильтрационного расхода не изменяются.

Изменение положения условного водоупора по-разному влияет на различные параметры фильтрационного потока, поэтому Чугаевым Р. Р. было введено несколько величин заглубления водоупора:

· для противодавления — фильтрационный режим плотин - student2.ru ;

· для выходного градиента напора — фильтрационный режим плотин - student2.ru ;

· для фильтрационного расхода — фильтрационный режим плотин - student2.ru .

Расчетное значение заглубления водоупора получают путем сравнения величин фильтрационный режим плотин - student2.ru с действительным значением заглубления водоупора фильтрационный режим плотин - student2.ru . В случае, если фильтрационный режим плотин - student2.ru меньше фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru , то соответствующие им расчетные значения фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru принимают равными фильтрационный режим плотин - student2.ru , в противном случае фильтрационный режим плотин - student2.ru = фильтрационный режим плотин - student2.ru , а фильтрационный режим плотин - student2.ru = фильтрационный режим плотин - student2.ru . Значение фильтрационный режим плотин - student2.ru всегда принимается равным фильтрационный режим плотин - student2.ru , однако надо иметь в виду, что при больших величинах заглубления водоупора фильтрационный расход определяется достаточно грубо.

Значения фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru вычисляются в зависимости от схемы подземного контура, которая определяется отношением его проекций на горизонтальную и вертикальную оси фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru (см. рис. 6.2), соответственно, согласно табл. 6.1.

Таблица 6.1

К определению значений фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru

Схема подземного контура фильтрационный режим плотин - student2.ru / фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru
Распластанная фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru
Промежуточная фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru
Заглубленная фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru
Весьма заглубленная фильтрационный режим плотин - student2.ru фильтрационный режим плотин - student2.ru

Приведем некоторые зависимости для коэффициента сопротивления.

Для входных и выходных зон со шпунтом:

фильтрационный режим плотин - student2.ru  

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — коэффициент сопротивления шпунта, в том числе и промежуточных:

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,  

фильтрационный режим плотин - student2.ru — величина рассматриваемого уступа;

фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru — соответственно глубина залегания водоупора относительно горизонтальных участков подземного контура до и после шпунта или уступа;

фильтрационный режим плотин - student2.ru — высота рассматриваемого шпунта.

Для входных и выходных зон при отсутствии шпунта:

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,  

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — коэффициент сопротивления уступа.

Для входных и выходных зон при отсутствии и уступа, и шпунта:

фильтрационный режим плотин - student2.ru .  

Для горизонтальных элементов длиной li:

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,  

где фильтрационный режим плотин - student2.ru и фильтрационный режим плотин - student2.ru — высота шпунта, ограничивающих горизонтальный участок li,

фильтрационный режим плотин - student2.ru ;  
фильтрационный режим плотин - student2.ru  
фильтрационный режим плотин - student2.ru .  

Удельный фильтрационный расход определяется по зависимости:

фильтрационный режим плотин - student2.ru .

Максимальный градиент на выходе фильтрационного потока в нижний бьеф:

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

где

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

фильтрационный режим плотин - student2.ru при фильтрационный режим плотин - student2.ru = фильтрационный режим плотин - student2.ru ;

фильтрационный режим плотин - student2.ru при фильтрационный режим плотин - student2.ru = фильтрационный режим плотин - student2.ru .

В случае «чистого» шпунта, когда действительный водоупор заложен весьма глубоко, фильтрационный режим плотин - student2.ru согласно гидромеханическому решению Павловского Н. Н., равно:

фильтрационный режим плотин - student2.ru .

Приближенный способ контурной фильтрации (способ В. Бляя) построения
эпюры фильтрационного противодавления для бетонных плотин
на нескальном основании

В данном методе считается, что потери напора Н прямопропорциональны приведенной длине подземного контура фильтрационный режим плотин - student2.ru , а скорость фильтрации вдоль контура равна по закону Дарси:

фильтрационный режим плотин - student2.ru или фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — градиент напора по приведенной длине подземного контура.

Приведенная длина фильтрации определяется (по Бляю) с учетом того, что отношение потерь напора на вертикальных путях фильтрации к потерям на горизонтальных участках равно:

фильтрационный режим плотин - student2.ru ,

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — эмпирический коэффициент, равный для оснований, сложенных песчаными грунтами 1,5, а для глинистых оснований — 2,5.

В этом случае приведенная длина фильтрации будет равна:

фильтрационный режим плотин - student2.ru , (6.1)

где фильтрационный режим плотин - student2.ru — суммарная длина горизонтальных участков;

фильтрационный режим плотин - student2.ru — суммарная длина вертикальных участков.

фильтрационный режим плотин - student2.ru

Рис. 6.3. Построение эпюры фильтрационного противодавления
способом контурной фильтрации (способом В. Бляя)

Построение эпюры фильтрационного противодавления выполняется в следующей последовательности (рис. 6.3):

· Сначала выполняется построение развернутого приведенного подземного контура фильтрации в соответствии с выражением 9.1, на котором в начальной точке (точка 1) откладывается напор на плотину H.

· Выполняется построение эпюры фильтрационного давления на приведенном подземном контуре сооружения с учетом того, что в конечной точке фильтрационный напор равен нулю, а его изменение (в соответствии со способом Бляя) по длине приведенного подземного контура фильтрации происходит линейно.

· На полученной эпюре выделяются горизонтальные участки подземного контура (на рис. 6.3 отмечены штриховкой).

· Отбрасывая участки эпюры фильтрационного давления с вертикальными элементами и совмещая оставшиеся отрезки, соответствующие горизонтальным участкам, получаем окончательный вид искомой эпюры.

Наши рекомендации