Проектирование и строительство земляных плотин

В зоне насыщения водой грунт взвешивается гидростатическим давлением и подвержен действию фильтрационных сил (гидродинамическое давление), стремящихся сдвинуть частицы грунта в направлении к низовому откосу; мельчайшие частицы грунта могут при этом выноситься в нижний бьеф, самый же откос может оползать, обрушаться. Прочность грунта, насыщенного водой, несколько падает вообще по сравнению с сухим. В плотинах из проницаемых грунтов могут иметь значение потери воды из верхнего бьефа (фильтрационный расход).

Волнения воды в верхнем и нижнем бьефах может размывать грунт откосов в пределах колебания уровней воды, это вызывает необходимость крепления откосов. Ледяной покров, образующийся в верхнем бьефе, может также повреждать откосы.

При температурах ниже 00 откосы плотины выше горизонта воды и гребень ее могут промерзать, а суглинистые и глинистые грунты их при этом будут пучиться, а при оттаивании оползать и образовывать трещины; трещины могут появляться в тех же грунтах и при высыхании откосов в жаркое время года. Поперечные трещины опасны ввиду возможности развития по ним разрушительной фильтрации.

Атмосферные осадки, выпадающие на плотину, частью просачиваются внутрь и смачивают тело плотины, частью стекают по откосам. Смачивание тела плотины водой понижает прочность ее грунта, что нежелательно, поэтому принимаются меры к ускорению и упорядочению стока дождевых вод с гребня и откосов путем поверхностного дренажа и крепления откосов.

Таким образом, водонепроницаемость грунта и фильтрация воды в теле земляной плотины играют весьма важную роль. Статистика показывает, что большинство аварий и разрушений земляных плотин произошло вследствие недостаточности мер по борьбе с фильтрацией воды.

Кроме фильтрации через тело плотины, на её устойчивость и безопасность влияет фильтрация воды под плотиной и в её примыкании к берегам и бетонным сооружениям.

Уменьшение фильтрации в примыкании к берегам при фильтрующих или трещиноватых грунтах достигается путем их цементации или устройством шпунтовой стенки, а также уширением плотины по гребню.

Сокращение фильтрации в основании плотины (если это необходимо) достигается устройством диафрагмы: шпунтовой завесой, зуба из глины или бетона, цементацией (рис. 2,3).

Превышение гребня плотины над форсированным максимальном горизонтом воды водохранилища и расчетным накатом волны назначается в соответствии c [1] и классом ответственности сооружения. На гребне плотины со стороны водохранилища по соображениям безопасности для транспорта и пешеходов часто сооружают железобетонный банкет.

5. Дренаж плотин и расчет фильтрации земляных плотин и основания

В целях уменьшения водонасыщенной зоны в плотинах и повышения устойчивости откосов, получения более обжатых и экономичных профилей плотин, применяется дренаж плотин. Дренаж достигается введением в тело плотин зон или полостей, заполненных крупнозернистым материалом (гравием, щебнем, камнем) с ничтожным сопротивлением фильтрации, а на больших плотинах труб с фильтрующим не тканым материалом, перехватывающим фильтрационный поток. Дренаж приводит к снижению депрессионной кривой.

Существуют основные вида дренажа: 1) дренажная призма (рис. 5.1. а), 2) дренажный тюфяк (рис. 5.1. б), 3) трубчатый дренаж (рис. 5.1. в). В зависимости от наличия или отсутствия дренажа земляные плотины делятся на дренированные и не дренированные.

Рис. 5.1. Схемы дренажа плотин [2].

Эксплуатационные качества земляной плотины зависят от положения и очертания поверхности фильтрационного потока в теле плотины (кривой депрессии), расхода фильтрации через тело плотины и под основание плотины. От этого в большой степени зависит устойчивость плотины.

Для надежной работы земляной плотины необходимо, чтобы кривая депрессии была заглублена в тело плотины не менее, чем глубина промерзания грунта в районе строительства, а её выклинивание (высачивание) на низовом откосе было под уровень воды нижнего бьефа либо в границах дренажного устройства. Фильтрационный расход не должны превышать допустимого значения водохозяйственного расчета потерь воды, а фильтрация не влияла на деформацию грунта плотины и основания и вымыв частиц грунта (суффозию).

5.1. Основные положения теории фильтрации

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести благодаря наличию разности напоров воды в отдельных точек потока. Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси: q = kωJ, (1) где: q — расход воды; k — коэффициент фильтрации грунта;

ω — полная геометрическая площадь сечения потока;

J — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока, равный H/l, где:

Н — потеря напора на длине пути фильтрации l;

Из формулы (1) следует, что расход грунтового потока линейно зависит от градиента, что имеет место при ламинарном движении воды.

Закон Дарси выражается также зависимостью:

V = kJ (2).

Выражение для скорости V можно записать также в виде: V = q / ω (3),

где V — фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полному сечению потока ω.

Действительная скорость течения воды в порах грунта равна: V I = V/m (4),

где m — активная пористость грунта.

Таблица №2 [3].

Примерные осредненные значения коэффициентов фильтрации различных грунтов приведены в таблице №2 [3].

При рабочем проектировании профиля плотины и расчетов фильтрации коэффициент фильтрации определяют на основании исследования карьерных грунтов. Из приведенной таблицы 2, видно, что эти коэффициенты могут отличаться на порядок и более от натурных.

5.2. Расчет фильтрации земляных плотин и основания

Существуют десятки способов теоретических методик расчета фильтрации через тело плотины и основания плотины, в том числе включаюших построение фильтрационной сетки — линий тока и эквипотенциалей — линий равного давления. Фильтрационная сетка может быть построена вручную методом постепенного приближения. Но точнее, для разных контуров сооружений, строится на приборе ЭГДА — метода электрогидродинамической аналогии — аналогии движения фильтрационных вод с движением электрического тока, разработанного академиком Н. Н. Павловским. Большинство методик сводится к решению сложных дифференциальных математических уравнений с тремя неизвестными. С методом построения линий тока и эквипотенциалей вручную и на устройстве ЭГДА можно ознакомиться в специальной литературе по гидротехнике.

Для ознакомления с фильтрационной сеткой приводим рис. 5.2. с построенными линиями тока и эквипотенциалями для плотины на водоупорном основании

[2].

Рис. 5.2.1. Фильтрационная сетка в однородной плотине на водоупорном основании: 1 — депрессионная кривая; 2 — вертикальные линии равного давления или эквипотенциали; 3 — линии тока или течения фильтрационных вод.

При ручном способе построения сетки величина напора делится на n частей и линии эквипотенциалей на пересечениях с соответствующими горизонтальными линиями деления напора Н дают точки кривой депрессии, разделяющую линию течения воды фильтрации и сухой части плотины.

В сокращенном курсе, каким является настоящая работа, целесообразно использовать для расчета земляных плотин на фильтрацию более простые уравнения, не требующие для решения сложных методов [7].

Рассмотрим вначале упрощенный расчет однородной плотины на непроницаемом основании — наиболее тяжелый случай для устойчивости низового откоса плотины, изображенный на рис. 5.2.2.

Рис. 5.2.2.Расчетная схема фильтрации однородной не дренированной плотины на непроницаемом основании [7].

Острый клин верхового откоса плотины принимает очень малое участие в фильтрации. Поэтому эта часть верхового откоса из рассмотрения выбрасывается и заменяется условной трапецией 0NAB. В компенсацию этого допущения положение раздельной линии 0N определяется значением ε, принимаемым от 0.3 до 0.4 (чем круче откос верхового клина, тем меньше ε). Линия депрессии и расход фильтрации в условиях трапеции будут близкими к действительности.

Тогда 0N = H — εH; А отрезок от 0 координат до сопряжения откоса m₁ с основанием в точке С, будет равен: L₁ = (H — εH) m₁;

Вычислим L: L = H₁m₁ + В + H₁m₂ — L₁;

Согласно Л.7. Высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе будет:

h₁ = L/m₂ + h₀ — [L2/m₂2 — (H — h₀) 2] 0.5. При отсутствии воды в нижнем бьефе h₀ = 0.

Фильтрационный расход на 1 м длины плотины:

q₁ = k (H2 — h₁2) / [2 (L — m₂h₁)]

Ординаты депрессионной кривой находятся из уравнения y = [H2 — (2q/k) x] 0.5

Приведем пример №1 расчета параметров фильтрации для заданных размеров плотины и напора: Напор Н = 20 м; Ширина по гребню плотины В = 10 м; Высота плотины Н₁=22 м;

Заложение откосов m₁= m₂ = 4; Коэффициент смещения координат ε = 0.4; Коэффициент фильтрации k = 0.036 м /час (как средний в песчаной однородной плотине Цимлянской ГЭС); Глубина воды в нижнем бьефе h₀ = 0;

Тогда: L₁ = (H — εH) m₁ = (20 — 0.4 x 20) х 4 = 48 м; :

L = H₁m₁ + В + H₁m₂ — L₁ = 22 х 4 +10 +22 х 4 — 48 = 138 м;

Высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе h₁ будет при h₀ = 0;

h₁ = L/m₂ — [L2/m₂2 — H 2] 0.5 = 138/4 — (1322/42 — 202) 0.5 = 34.5 — 28.1 = 6.4 м

Фильтрационный расход на 1 м длины плотины q₁ = k (H2 — h₁2) / [2 (L — m₂h₁)]

q₁ = 0.036 (202 — 6.42) /2 (138 — 4 x 6.4) = 12.9/224.8 = 0.057 м3/час,

или на 1 км длины плотины Q = 57 м3/час

Ординаты депрессионной кривой находим из уравнения y = [H2 — (2q/k) x] 0.5

У = [202 — (2 х 0.057/0.036) x] 0.5 = [400 — 3.16Х] 0.5; При Х = 0 У = Н = 20 м.;

При У = h₁= 6.4 м; Х = L — m₂ h₁ = 138 — 4 х 6.4 = 112.4 м; Задаваясь значением Х от нуля до 112 м можно построить кривую депрессии.

Обратимся к расчету расхода фильтрации плотины на проницаемом основании.

Рис. 5.2.3. Схема фильтрации однородной недренированной плотины на проницаемом основании [7].

Общий расход фильтрации равен сумме двух расходов: расхода q₁ через однородную плотину на непроницаемом основании и расхода q₂ через проницаемое основание. Первый расход определяется по формуле, положение кривой депрессии — по уравнению (205). Второй расход — представляет расход воды, протекающий по прямоугольной трубе высотой Т и шириной 1 м кривыми струйками, средняя длина которых βL’, а средний градиент потока H/βL’. Поэтому расход через основание:

q₂ = k₂HT/βL’

Суммарный расход фильтрации:

q = k (H2 — h₁2) / [2 (L — m₂h₁)] + k₂HT/βL’ (219),

Где h₁ — высота выклинивания линии депрессии на низовом откосе по уравнению (203),

k₂ — коэффициент фильтрации грунта основания; β — коэффициент удлинения пути фильтрации через основание:

Выполним примерный расчет фильтрации под основание плотины (пример №2) при глубине залегания водоупора Т = 20 м и условиях принятых в примере №1.

ОтношениеL’/T = 186/20 = 9.3. По интерполяции из таблицы можно принять коэффициент

β = 1.17; При этих условиях расход фильтрации через основание плотины будет:

q₂ = k₂HT/βL’ = 0.036 х 20 х 20/1.17 x 186 = 14.4/217.6 = 0.066 м3/час на 1 м длины плотины. Суммарная фильтрация в основании и тело плотинысоставит:

Q = 0.066 +0.057 = 0.123 м3/час.

В литературе [2] рассмотрены и другие, более сложные случаи определения фильтрации: высоты выклинивания линии депрессии на низовом откосе и расхода фильтрации для однородной дренированной плотины, экранированной плотины с дренажем, экранированной плотины с зубом и дренажем. Эти случаи рекомендуем изучать непосредственно по первоисточнику.

Рис. 5.2.4. Дренажная призма из камня с наслонным дренажем [2].

Из приведенного расчета фильтрации через однородную плотину на непроницаемом основании, изображенной на рис. 5.2., видно, что линия депрессии на низовом откосе выклинивается на значительной высоте h₁, что может вызвать суффозию грунта, особенно при промерзании. В целях исключения суффозии и понижения выхода выклинивания фильтрационных вод используют дренажную призму и наслонный дренаж (рис. 5.2.4.).

В литературе [2] помещена таблица определения суффозии по коэффициенту неоднородности грунта плотины и градиентов фильтрации H/l.

По исследованиям В. С. Истоминой, скорости и градиенты фильтрации, при которых начинается механическая суффозия, существенно зависят от неоднородности грунта, характеризуемой, как известно, коэффициентом

На фиг. 4—12 приводится график минимальных (безопасных) градиентов направленной снизу вверх фильтрации, при которых суффозия исключается. Как видно из графика, чем больше неоднородность грунта η, тем при меньших градиентах начинается суффозия. Ввиду недостаточной еще проверки графика 4—12 на практике, рекомендуется уменьшать полученные по графику значения I в 1,5—2 раза в зависимости от класса сооружения.

Фиг. 4—12. Минимальные (безопасные) градиенты (при которых отсутствует суффозия в несвязных грунтах) в зависимости от неоднородности грунта (по предложению В. С. Истоминой)

6. Устойчивость откосов плотины

Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собою трапецию с откосами, обычно не круче 1: 1,5. Вес плотины такого профиля настолько значителен, что о сдвиге ее под действием горизонтальных сил от давления воды верхнего бьефа не может быть речи. Поэтому расчет земляной плотины на сдвиг не производят.

Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с недостаточной устойчивостью основания.