ЭЛЕМЕНТЫ ФЛЮТБЕТОВ И ЗАДАЧИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАСЧЕТОВ

Гидротехническое сооружение, создающее разность уровней верхнего и нижнего бьефов и расположенное на водопроницаемом грунте основания, всегда вызывает движение грунтового потока под сооружением и в обход его под влиянием этой разности. В зависимости от степени водопроницаемости грунта основания и самого сооружения возникает различного характера взаимодействие между потоком и сооружением.

Если сооружение мало водопроницаемо (бетон, железобетон камень), то грунтовый поток не имеет свободной поверхности и является напорным. Такой поток оказывает иа подошву сооружения гидродинамическое (фильтрационное) давление, изменяющееся от максимальной величины, равной разности уровней плюс глубина воды в нижнем бьефе (если она есть), до минимума, равного глубине воды в нижнем бьефе или при отсутствии воды в нижнем бьефе равного нулю.

Если же сооружение само является фильтрующим (земляная плотина, дамба), то движение воды происходит через тело сооружения, при этом образуется свободная поверхность и движение будет безнапорным. Линия поверхности воды в земляном теле называется депрессионной линией или кривой депрессии.

Напорное движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями происходит в непосредственном контакте с флютбетом, который является частью гидротехнического сооружения и образует ложе для проходящего через него потока. В свою очередь, флютбет по условиям работы делится на три части.

При больших донных скоростях ближайшую к отверстию сооружения часть понура укрепляют мостовой, бетонными и железобетонными плитами на слое гравия и песка.

Водобой представляет собою собственно сооружение. Он предназначен воспринимать удары падающей воды при переливах через водосливы и создавать безопасные условия протекания ее при увеличенной скорости в зоне прыжкового сопряжения или при его отгоне. Водобой, как водонепроницаемая часть, также служит средством гашения напора фильтрационного потока. Вследствие того, что давление снизу всегда больше давления сверху, толщину водобоя рассчитывают из условия устойчивости его против выпирающего воздействия подземного биотока. Длину водобоя назначают по гидравлическому расчету и по условиям размещения затворов, подъемников, служебного и проезжего мостов, а при необходимости ее увеличивают как противофильтрационное средство для подземного потока.

Сливная часть (слив), или рисберма, предназначена для выполнения следующих четырех задач: 1) укреплять русло потока за водобоем от размыва; 2) создавать свободный выход подземному потоку, то есть она должна быть водопроницаемой; 3) тормозить донные скорости и тем самым приближать распределение скоростей по живому сечению к бытовому в конце рисбермы; 4) защищать лежащий под ней грунт от вымыва подземным потоком и повышать устойчивость его против выпирания.

Для лучшего выполнения этих задач рисберму при необходимости усиливают в нижней части обратными фильтрами, а поверхность устраивают по возможности более шероховатой.

Конструкцию сливной части принимают из условия устойчивости ее против размыва и вымыва поверхностным и фильтрационным потоком.

Длина слива должна быть достаточной для гашения скорости до безопасных величин на размыв в отводящем русле. В случае большой разницы в ширине отверстия сооружений и отводного русла при определении длины слива (рисбермы) следует руководствоваться гидравлическим расчетом растекания потока.

Для увеличения длины фильтрационного пути с целью уменьшеия уклона подземного потока устраивают зубья и шпунтовые стенки в пределах понурной и водобойной части.

Толщину водобойного зуба назначают конструктивно и обычно принимают равной толщине плиты в конце водобоя.

Расстояние между понурной и королевой шпунтовыми стенками принимают не менее суммы их глубин. Чаще всего королевый шпунт устраивают большей глубины. Это же правило применяется при назначении размеров королевого и водобойного шпунтов, последний желательно устраивать щелевым.

За нижнюю границу фильтрующего основания, если водоупор расположен на значительной глубине, принимается одна из линий тока, находящаяся на глубине активной зоны фильтрации, то есть там, где подземный поток движется из верхнего бьефа в нижний с весьма малыми скоростями.

На основании фильтрационных расчетов нужно так запроектировать подземное очертание гидротехнического сооружения, чтобы оно способно было уменьшить расход воды под сооружением, снизить величину выходной скорости фильтрации и уменьшить расчетное давление на подошву флютбета до требуемых значений.

Не всегда эти три задачи имеют одинаковую актуальность. Расход воды на фильтрацию под сооружением при малопроницаемых грунтах может не играть существенной роли, и определение его в таком случае носит лишь проверочный характер.

То же можно сказать о необходимости снижения давлений на водобойную часть. Если водобойная плита флютбета достаточно массивна и устойчива на скольжение, то можно не стремиться к снижению этих давлений, но определить их для выяснения безопасности условий будущей эксплуатации сооружения необходимо.

Скорость фильтрации при выходе потока в нижний бьеф нужно проверять всегда; если она окажется больше допустимой, то следует запроектировать крепление грунта за сооружением или принять другие меры для снижения ее до необходимых пределов.

Однако независимо от степени актуальности той или иной задачи при проектировании подземного контура нужно решить все вопросы, связанные с движением фильтрационного потока под сооружением, т. е. определить:

1) распределение давлений по подземному контуру сооружения;
2) выходную скорость фильтрации;
3) фильтрационный расход.

Главной задачей при фильтрационных расчетах можно считать определение давлений, так как скорость фильтрации и фильтрационный расход сравнительно легко определить, если известно распределение давлений в области фильтрации под сооружением.

К настоящему времени теория движения фильтрационных вод и методы расчета получили широкое развитие.

Предложенные многочисленные приемы и методы расчета по степени полноты и достоверности получаемых при расчетах результатов можно разделить на следующие группы:

• эмпирические, в которых дается весьма приближенный ответ по определению давления грунтовых вод на части сооружений. Сюда относятся так называемый способ линейно-контурной фильтрации (ЛКФ) и все его разновидности;
• теоретические, основанные на составлении и решении уравнений движений фильтрационных вод;
• основанные на построении гидродинамической сетки движения экспериментальным — на приборах электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) и графическим способами;
• приближенные гидромеханические, основанные на упрощении аналитических решений. Сюда относятся метод фрагментов, метод коэффициентов сопротивлений и др.

Здесь рассматриваются только несколько наиболее распространенных приемов и методов фильтрационного расчета гидротехнических сооружений.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968