Проектирование и строительство земляных плотин

Натурные исследования кривой депрессии во время намыва плотин выполнялись лишь на плотине Цимлянской ГЭС [3] с применением иглофильтровых установок. Приводим их на рис. 11.13.1.

Рис.11.13.1. Депрессионные кривые при намыве плотины правого берега Цимлянской ГЭС [5].

Основание песчаное. С нижнего бьефа включена двухярусная иглофильтровая установка, понизившая депрессионную кривую до 8 м. Оплывание откоса прекратилось.

Рис. 11.13.2. Депрессионные кривые при намыве плотины левого берега Цимлянской ГЭС Основание суглинистое. Видно выход фильтрационных вод на откос на высоте до 5 м. [5].

При намыве пазух примыкания к устоям водосливной плотины и ГЭС было использовано 15 глубинных насосов АТН-12. С их помощью осушался крутой откос (1: 1) высотой

15 м при суточной интенсивности намыва до 1 м. Оползней откосов не наблюдалось.

Принятые меры по снижению кривой депрессии позволили прекратить и предотвратить оползни откосов.

Поэтому создание базы для расчетов проверки устойчивости откосов плотины при её намыве необходима.

Проектные организации, выполняющие проекты организации работ по намыву, не проверяют профиль плотины, предложенный генпроектировщиком, на фильтрацию, оплывание и устойчивость откосов в период строительства.

В этой статье, в порядке предложения, предлагается упрощенный способ определения фильтрации при намыве плотины [6], и приводятся имеющиеся способы проверки профиля на оплывание откосов и устойчивость.

В приведенном расчете, как наиболее тяжелый случай, рассматривается фильтрация через тело и откосы однородной плотины на водонепроницаемом основании. Длина пути фильтрации принята по средней линии потока от 1/4 верха карты намыва до середины поверхности выхода фильтрации в нижней части откоса. В упрощенных расчетах такое допущение возможно. Для более точных расчетов необходимо построение фильтрационной сетки с помощью прибора ЭГДА или на модели.

В расчете использованы основные формулы фильтрации Дарси [4].

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести или благодаря наличию разности напоров воды в отдельных точек потока. Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси: q = kωJ (1), где: q — расход воды м³/с;

k — коэффициент фильтрации грунта — размерность скорости при перепаде в 1 м вод. ст.;

ω — полная геометрическая площадь сечения потока — м² или м при задаче в плоском сечении;

J — гидравлический уклон (градиент) фильтрационного потока — величина безразмерная, равная J = H/l (2), где:

Н — потеря напора на длине пути фильтрации — м вод. ст.; l — длина контура фильтрации м;

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 = k J (3).

Выражение для скорости V можно записать также в виде: V = q / ω (4),

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

Действительная скорость течения воды в порах грунта равна: V ^I = V/n (5),

где n — активная пористость грунта.

Для выполнения расчетов прежде всего, необходимо знать коэффициент фильтрации грунтов плотины, которые определяют лабораторно. Примерные осредненные значения коэффициентов фильтрации для различных грунтов помещены в таблице №1 [4].

Таблица №1 [5].

В приведенных ниже примерах коэффициент фильтрации принят как средний в песчаной однородной плотине Цимлянской ГЭС, равный для мелкозернистых и среднезернистых песков k= 0.001 см/c или 0.036 м/час [3]. Следует отметить, что при проектировании плотин высокого класса коэффициент фильтрации нужно принимать по лабораторным исследованиям грунтов плотины, т.к. он может отличаться на порядок и более от табличных значений.

Профиль плотины принят по рис. 4 для расчета конкретного примера. Расход фильтрации одинаков на входе (с карты намыва) и на выходе из откосов. Принято равномерное распределение фильтрации между откосами.

Рис.11.13.3. Схема расчета фильтрации однородной плотины на водоупорном основании в процессе намыва: 1 — прудок на карте намыва; 2 — средняя линия тока фильтрации; 3 — зона выхода фильтрата; 2b —ширина карта намыва; Н — высота карты намыва; h₁ = b — высота высачивания вод фильтрации из откоса; q — расход фильтрации из карты намыва (прудка) в нижнюю часть откоса; L — длина средней линии потока фильтрации [2].

Из положения, что расход фильтрации одинаков на входе и на выходе из откоса, можно записать равенство: 1) q_вх = k ω_вх J; 2) q_вых = k ω_вых J; Поскольку в уравнениях 1 -2 значения

k и J одинаковы, то ω_вх = ω_вых; То есть, площадь входа фильтрации равна площади выхода (на 1 м протяженности плотины это линейный размер) b_вх = b_вых = h₁; Зная угол заложения откоса ⁰ можно получить площадь высачивания потока на откосе:

F₁ = b: sin θ (6).