Устройство дренажей гидротехнических сооружений

Одним из необходимых элементов гидротехнических сооружений, которые разрабатываются при проектировании, является противофильтрационная защита.

Противофильтрационные элементы земляной или каменно-набросной плотины чаще всего устраивают для регулирования положения кривой депрессии в теле земляной плотины, для организованного сбора и отвода фильтрационных вод и для предотвращения возникновения фильтрационных деформаций. В каменно-земляных плотинах роль дренажного устройства вы­полняет низовая упорная призма.

Дренаж подошвы и основания земляной плотины устраивают для снижения порового давления в основании и для выпуска напорных вод из водопроницаемого слоя основания, прикрытого сверху слоем водоупорного грунта.

Классификация дренажей. Дренажное устройство обычно состоит из двух частей: отводящего устройства и фильтра (в большинстве случаев двух- или трехслойного). Многослойный фильтр в литературе очень часто называют обратным фильтром или переходной зоной. Термин «переходная зона» чаще относится к фильтрам в каменно-земляных плотинах. Дренажные уст­ройства по своей конструкции разделяют на три типа (Рис. 2.7.4): наружные (тип I), внутренние (тип II), комбинированные (тип III).

Наружный дренаж в земляных плотинах

Наружный, или наслонный, дренаж не имеет разновидностей. Самостоятельно его применяют сравнительно редко, но часто в сочетании с внутренними дренажами, образуя комбиниро­ванные дренажи. Название этого типа дренажа говорит о том, что он находится за пределами основного профиля плотины и не создает укороченного пути фильтрации, поэтому он не может влиять на положение поверхности депрессии.

Чаще всего наслонный дренаж применяют на участках земляных плотин, перекрывающих периодически затапливаемую пойму. Толщину наслонного дренажа (вместе с фильтром) в глинистых плотинах назначают несколько больше глубины промерзания, чтобы защитить низовой откос плотины. Верхняя отметка наслонного дренажа назначается из условия защиты от промерза­ния откоса при наивысшем положении кривой депрессии вместе с учетом капиллярного подъема. С другой стороны, верхняя отметка наслонного дренажа должна быть выше самого высокого положения горизонта воды в нижнем бьефе с учетом нагона и наката волн.

Наслонный дренаж выполняется из достаточно однородного камня, чем обеспечивается очень высокий коэффициент фильтрации. Крупность камня (D_K) определяется из условия устойчивости при действии волн со стороны нижнего бьефа. Выше максимального уровня воды в нижнем бьефе в наслонный дренаж могут укладываться гравий или щебень.

Если защиты откоса от промерзания не требуется, толщину дренажа без фильтра назначают не менее 3D_K.

Рис. 2.7.4. Типы дренажных устройств:

I - наружный дренаж; II, а - дренажная призма; II, б - плоский горизонтальный дренаж и дренажная лента; II, в - трубчатый дренаж; II, ги II,д- плоский горизонтальный дренаж в сочетании с наклонными дренажными лентами; III, а, б, в -типы комбинированного дренажа

Применение внутренних дренажей в земляных плотинах

Все внутренние и комбинированные дренажи создают кратчайший путь фильтрации. В этом состоит их основное назначение - регулирование положения кривой депрессии. Чем больше приближен дренаж к верхнему бьефу, тем более понижено положение кривой депрессии. Учитывая, что в большинстве случаев фильтрационный расход в силу малости ничем не ограничивается, дренаж можно было бы расположить очень близко к напорному откосу. Однако при этом его стоимость будет расти. Повышенная стоимость дренажа складывается из стоимости получения однородного (или близкого к однородному) камня и фильтра. В результате экономия, которая может быть достигнута за счет устройства более крутого низового откоса при заглублении кривой депрессии, окажется меньше стоимости дренажа. Таким образом, оптимальное решение может быть получено в результате технико-экономического сопоставления вариантов плотин с различным заглублением дренажей в тело плотины.

Дренажная каменная призма (тип II, а) устраивается обычно на русловых участках плотины при ее возведении без перемычек и при перекрытии реки отсыпкой камня в воду. При наличии в большом количестве дешевого камня она может применяться и на других участках плотины.

Плоский горизонтальный дренаж (тип II, б), трубчатый дренаж (тип II, в) (пример трубчатого придамбового дренажа приведен на рис.2.7.5), плоский горизонтальный дренаж или ленточный дренаж в сочетании с наклонными дренажными лентами (тип II, г) используются на пойменных участках плотин на незатопляемых отметках. Большое распространение получил труб­чатый дренаж. Если его выполнять из пористого бетона, то отпадает необходимость в укладке фильтра. Если используются перфорированные трубы, то необходима укладка фильтра.

Ленточный дренаж часто используют для дренирования тела упорных призм каменно-земляных и каменных плотин. Такая необходимость возникает при использовании для тела призм полускальных, сильно заглинизированных или слабых выветрелых пород, которые при уплотнении разрушаются, или когда процесс выветривания может продолжаться в теле насыпи. В этом случае проницаемость пород становится малой. Иногда дренаж устраивается и в теле упорных призм, и в основании. Дренажи типа II, д применяют в однородных плотинах из глинистых грунтов для полного перехвата фильтрационного потока. Дренажные сооружения такого типа дороги и могут применяться, когда на месте строительства в достаточном количестве имеется песок, который является основным материалом для такого типа дренажа.

Комбинированные дренажи применяют при необходимости защиты низового откоса от волнового воздействия со стороны нижнего бьефа. Дренажное устройство типа III, б используется довольно часто в намывных земляных плотинах и выполняется после возведения плотины, чтобы не замыть песком (закольматировать) дренаж во время строительства.

Трубчатый горизонтальный дренаж в сочетании с вертикальным трубчатым дренажем обычно применяется в земляных плотинах для снятия напора в основании, когда более проницаемый слой основания прикрыт сверху менее проницаемым грунтом или когда возникает необходимость понизить выходные градиенты при выходе потока в непосредственной близости от подошвы плотины.

Гранулометрический состав фильтров и переходных зон. Подбор состава фильтров и переходных зон выполняется из условия отсутствия суффозии, контактного размыва и контактного выпора. Следует отме­тить, что суффозия рассматривается в случае защиты песчаного или другого сыпучего грунта. Она учитывается при подборе первого слоя фильтра в однородной песчаной плотине или второго и третьего слоев фильтров и переходных зон во всех других плотинах.

Толщина фильтров в дренажных сооружениях назначается из условия производства работ не менее 0,15 м и не менее 3D'₉₀, где D'₉₀- диаметр 90%-ной обеспеченности i-го слоя фильтра, но эти рекомендации не относятся к переходным зонам каменно-земляных плотин.

а

б

Рис.2.7.5. Придамбовый дренаж на Каневской ГЭС в период строительства (из материалов проф. В.Н.Жиленкова)

а - трубчатый дренаж до укладки обратного фильтра; б – после формирования обратного фильтра