Гидротехнические сооружения

2.5. Фильтрация в теле грунтовых плотин

У

В теле грунтовой плотины под воздействием напора H происхо-

Т

дит движение грунтовых вод, называемое фильтрацией в теле пло-

тины. Движущийся поток грунтовых вод называется фильтрацион-

Н

ным потоком. Свободная поверхность фильтрационного потока

называется кривой депрессии (рис. 2.5). Поскольку имеется свободная

Б

поверхность, фильтрация в рассматриваемом случае безнапорная.

УВБ

и

m2

l

1

р

h

m

й

УНБ

кривая деп есс

о

т

Рис. 2.5. Филь рация в теле грунтовой плотины

и

з

Падение напора по дл не называется фильтрационным градиен-

том. Фильтрац онный градиент

о

h

п

I l .

Если взять

редел, то получим

Р

е

I lim

h

dh .

l

l

dl

2.6. Противофильтрационные устройства

У

в теле и основании грунтовых плотин

Н

В грунтовых плотинах, тело которых выполнено из сильноводоТ -

проницаемых грунтов, устраиваются противофильтрационные устрой-

ства. Они предназначены:

й

для уменьшения фильтрационного расхода через сооружение;

заглубления

депрессионной кривой

сБцелью повышения

устойчивости низового откоса

и

предотвращения пучения грунта

при промерзании;

р

уменьшения градиента фильт ац онного потока и предотвра-

щения фильтрационных

дефо

маций г унта тела плотины.

Противофильтрационные уст

йства выполняются из маловодо-

т

проницаемых материал в и п дразделяются на две группы:

и

1) из грунтовых ма ериалов (ядра, экраны и понуры);

2)

негрунтовых ма ер алов (экраны, диафрагмы и завесы).

з

Выбор типа прот воф льтрационного устройства зависит от па-

раметров

плотины

, физико-механических

характеристик

грунтов

тела

тины и

снования, наличия необходимых материалов в

районе стр ительства, условий и методов производства работ и т. д.

е

В земляных плотинах противофильтрационные устройства чаще

вс го вы олняются из маловодопроницаемых грунтов в виде цен-

Р

H

У

,

(2.7)

J

доп

Т

где Н – напор на плотину, м;

Н

Jдоп – допустимый градиент фильтрационного потока, который

Б

то по границам с ядром с ве

н зовой стороны укладывают-

ховой

ся переходные слои по типу

б атного фильтра.

т

Грунтовый экран – э прртив фильтрационное устройство, рас-

полагаемое по верховому

к су плотины (см. рис. 2.1, г). Толщина

и

нования плотины. Предварительно длину понура рекомендуется

принимать в пределах

У

lп = (1–2)Н,

Т

где Н – напор на плотину, а в дальнейшем она должнаНуточняться

фильтрационными расчетами.

Толщина понура определяется по зависимостиБ(2.7), при этом

ружается защитным слоем из несвязного грунта толщиной 1–2 м для

р

защиты его от атмосферных в здействий, от машин и механизмов

во время строительс ва.

о

Если понур укладывае ся на крупнозернистый грунт (гравий,

т

галька) или сильно трещ новатую скалу, то под ним укладывается

подготовка в виде обратного фильтра.

и

з

районе

сутствии в

строительства необходимых глинистых грунтов

или н благо риятных климатических условиях (длительный период

Р

тины должно быть не менее 2,5–3. Для защиты пленок от повре-

ждения грызунами и корнями растений подстилающий и защитныйУ

слой песка обрабатываются пестицидами.

Н

Асфальтобетонные экраны одновременно являются иТкреплени-

в эксплуатации, обладают достаточной гибкостью, но подвержены

й

старению, что ведет к потере гибкости. Причинами старения ас-

фальтобетона являются испарение

из него маселБ, окисление под

воздействием кислорода и полимер

зац я под влиянием солнечных

применяют, так как вследствие садок грунта тела плотины и осно-

т

и

Асфальтобетонные диафрагмы устраивают из литого, пластич-

ного и уплотняемого горячего асфальтобетона. Толщина диафрагмы

з

назначается из услов я сохранения ее сплошности и несущей спо-

стро

собности в

тельный эксплутационный периоды и составляет

бирается из усл вия недопустимости проникновения в его поры ас-

фальтоб тона.

Б птонные и железобетонные диафрагмы выполняются из бетона

марки

менее W8 по водонепроницаемости и достаточной прочно-

не

сти. Бетонные диафрагмы имеют переменную толщину: поверху не

менее 0,5 м, у основания (0,05–0,1)Нпл, где Нпл – высота плотины.

Р

Диафрагмы разрезают вертикальными температурно-осадочными

рационных устройств применяются инъекционные завесы. Они вы-

полняются путем нагнетания через систему скважин, пробуренных

в основании плотины, специальных растворов различного составаУи

консистенции. Это могут быть цементные растворы, силикатные

(жидкое стекло), глиноцементные и др. Толщина инъекционнойТза-

весы в основании принимается не менее 0,1 напора на плотину. Та-

кие завесы могут применяться также в теле плотины (диафрагмы).

Н

2.7. Дренажи

Б

Дренажные устройства в теле

основан и земляных плотин вы-

полняют с целью:

й

приема и организованного отводаив нижний бьеф фильтраци-

онного потока во избежание фильт ационных деформаций грунтов;

р

уменьшения зоны дейс вия фильтрационного потока для по-

вышения устойчивос

откоса плотины;

низового

недопущен я выхода фильтрационного потока на низовой от-

т

кос и заглублен я кр вой депрессии ниже глубины промерзания;

и

з

ускорения процесса консолидации глинистых грунтов тела пло-

тины и сн вания и уменьшения порового давления.

п

Дренаж с ст ит из приемной и отводящей частей. Приемная часть

виде

устраиваетсяона контакте дренажа с телом плотины и выполняется в

Р

обратного фильтра, отводящая – из более водопроницаемого

1

2

3

4

5

У

Рис. 2.6. Пример конструкции обратного фильтра:

Т

1 – защищаемый грунт (мелкозернистый песок); 2–4 – слои обратного фильтра

(соответственно среднезернистый песок, крупнозернистый песок, гравий);

5 – дренаж (приемная часть) из каменной наброскиН

й

Зерновой состав грунтов обратного фильтраБподбирается из усло-

частицы защищаемого г унтапрочностине должны просыпаться и вы-

вия обеспечения фильтрационной

сопрягающихся грунтов

в процессе возведения и в

эксплуатации плотин и должен

период

удовлетворять следующим т ебован ям:

о

за исключением тех частиц,

мываться в поры первого сл я фильт а,

т

садке сооружения;

вынос которых не ведет к

пасн й

матироваться

частицами

грунта,

вынос которых из тела плотины

частицы одного слоя не должны просыпаться и вымываться в по-

рыследующегослояф ль ра, ачастицыпоследнегослоя– вдренаж;

з

поры обратного ф льтра с течением времени не должны коль-

условиямдолжнабыть не менее 5d85 и одновременно не менее 0,2 м,

допустим.

п

Толщина кажд го слоя обратного фильтра по фильтрационным

где

d85 – диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мел-

Р

расходе и обеспечении его отвода за пределы низового клина.

Дренажные устройства по своей конструкции и местоположениюУ

Н

разделяют на три типа: наружные, расположенные на низовом от-

косе плотины, внутренние, располагаемые в теле плотиныТ, и комби-

нированные.

Б

Основные типы дренажей низового клина земляных плотин при-

ведены на рис. 2.7.

и

а)

а

1

б

m

3

4

2

)

m

УНБ

2

УНБ

m

hs

йhs

1

m

о

2

1

1

2

т

в)

и

ггр)

1

b'

m

1

8

6

2

7

8

7

5

2

з

о

i=

1

0.05

2

0.04 -

д)

п

4

ее)

1

m

3

2

m

2

2

hs

УНБ 3

6

УНБ

е

2

2

hs

Рис. 2.7. Схемы дренажных устройств в низовом клине плотины:

а – дренажный банкет; б – наслонный дренаж; в – трубчатый дренаж;

г – горизонтальный дренаж; д, е – комбинированные дренажи:

Р1 – кривая депрессии; 2 – обратный фильтр; 3 – дренажная призма; 4 – каменная

наброска наслонного дренажа; 5 – труба; 6 – дренажная лента;

вании мелкозернистого грунта и значительных выходных градиен-

тов фильтрационного потока под банкетом также предусматривает-

ся устройство обратного фильтра.

Т

Возвышение гребня дренажного банкета над максимальнымУуров-

нем воды в нижнем бьефе hs определяется с учетом ветрового наго-

на воды и наката волны (если в НБ возможно образование волн) и

должно быть не менее 0,5 м. Ширину банкета поверху назначают,

исходя из условий производства работ, но не менееН1 м. Заложение

й

внутреннего откоса банкета принимается равным углу естественного

откоса каменной наброски и обычно принимаетсяБне круче чем 1:1.

и

Банкет должен быть запроектирован так, чтобы кривая депрессии

пр

была заглублена под поверхность н зового откоса на величину df,

определяемую из условия

df h

+ hк.п,

(2.8)

где hпр

– наибольшая глубина пр мерзания в районе строительства;

hк.п

о

– высота макс мального капиллярного поднятия воды в

грунте тела плот ны.

т

Наслонный дренаж (рис. 2.7, б) рекомендуется применять на

и

участках пл тины, перекрывающих затапливаемую пойму, при от-

з

сутствии на месте строительства достаточного количества камня

или ри выс ких максимальных уровнях воды в нижнем бьефе, что

о

д ла т н возможным или нецелесообразным устройство дренажно-

го банкпта, а также для защиты низовых откосов уже построенных

плотин в случае выхода на них фильтрационного потока. Наслон-

ныйдренаж не понижает кривую депрессии в теле плотины, а толь-

ко предотвращает оплывание низового откоса.

РТолщина наслонного дренажа

вместе с

обратным фильтром

Превышение гребня наслонного дренажа над максимальным уров-

У

нем нижнего бьефа hs, а также заглубление кривой депрессии df

определяются как и для дренажного банкета.

Трубчатый дренаж (рис. 2.7, в) применяется только на тех

участках плотин, где в период эксплуатации отсутствует вода в

Н

нижнем бьефе. Он выполняется из бетонных или асбестоцементных

перфорированных труб с заделанными или незаделаннымиТстыка-

ми, а также из керамических (гончарных)

труб и трубофильтров,

изготовленных из пористого бетона. Трубчатый дренаж с обсыпкой

й

в виде обратного фильтра укладывается параллельно подошве низо-

вого откоса с уклоном в сторону русла реки.

Б

Фильтрационный поток поступает в дрены через отверстия в

трубах или через стыки труб, а вывод тся з продольных дрен через

р

поперечные выпуски, располагаемые п мерно через 20–50 м.

о

Местоположение трубчатого д иенажа в низовом клине плотины

выбирается из условия эк н мически целесообразного заглубления

т

кривой депрессии с уче

м усл вия (2.8). Диаметр дренажных труб

и

определяется гидравлическим расчетом и должен приниматься не

менее 200 мм. Скорос ь движения потока в трубчатом дренаже

должна быть в пределах 0,25 0,75 м/с, режим движения – без-

о

напорный. Шир на дренажа вместе с обратным фильтром

п

з

b' 0,5 q

,

где

k

q – уд льный фильтрационный расход через тело плотины;

Р