ФИЛЬТРАЦИЯ ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ НА НЕПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ

Общие замечания. Под влиянием напора, создаваемого плотиной, происходит фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний, через тело плотины и основание, если оно проницаемо. При безнапорном движении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной поверхностью, во всех тачках которой давление постоянно — равно атмосферному. Свободная поверхность грунтового потока называется депрессионной поверхностью, а линия пересечения этой поверхности вертикальной плоскостью — депрессионной кривой или кривой депрессии.

Ниже депрессионной поверхности грунт насыщается водой и оказывается взвешенным в воде, что снижает устойчивость плотины. Выше депрессионной поверхности находится зона капиллярного поднятия воды — В. Высота капиллярного поднятия над депрессионной кривой АС зависит от крупности частиц грунта, в песчаных грунтах она составляет 0,1—0,4 м, в суглинках и глинистых грунтах достигает 0,5—1,5 м и более, а для гравия с диаметром зерен более 2,5 она равна нулю. При колебании уровней воды в верхнем и нижнем бьефах соответственно изменяется положение депрессионной поверхности и капиллярной зоны.

Положение депрессионной кривой у низового откоса зависит от уровня воды в нижнем бьефе, а при отсутствии воды — от положения уровня грунтовых вод. Кроме того, депрессионную кривую можно значительно понизить при помощи дренажных устройств.

При наличии воды в нижнем бьефе депрессионная кривая АС выходит на низовом откосе несколько выше уровня воды в нижнем бьефе. При проницаемом основании и отсутствии воды в нижнем бьефе кривая депрессии может пересечь подошву плотины внутри профиля и соединяться с уровнем грунтовых вод.

Фильтрация воды через земляные плотины играет весьма важную роль. Статистика показывает, что более половины всех аварий земляных плотин произошло вследствие фильтрации воды. Поэтому при проектировании и конструировании земляных плотин необходимо выполнить фильтрационный расчет, в процессе которого установить положение кривой депрессии в теле плотины; определить градиенты фильтрационного потока и величину фильтрационных скоростей; определить фильтрационный расход через тело плотины и ее основание.

В настоящее время имеется много предложений по методам расчета фильтрации через земляные плотины. При этом параллельно развивались гидромеханические и гидравлические методы расчета плотин как на водонепроницаемых, так и на водопроницаемых основаниях.

В СССР основоположником гидравлических методов расчета фильтрации в земляных плотинах является акад. Н. Н. Павловский. Кроме акад. Н. Н. Павловского, вопросами фильтрации через земляные плотины занимались Е. А. Замарин, А. А. Угинчус, К. X. Михайлов, Я. Т. Ненько, П. А. Шанкин и многие другие.

Фильтрация через однородную земляную плотину на непроницаемом основании по теории акад. Н. Н. Павловского.

1. Расчетная схема и обозначения.

При гидравлическом рассмотрении фильтрации в однородной земляной плотине на непроницаемом основании акад. Н. Н. Павловский разбивает фильтрационный поток на три характерные части: верховой клин, среднюю часть и низовой клин.

Верховой клин ограничен верховым откосом плотины и раздельным сечением, которое проходит через верховую бровку гребня плотины; средняя часть — от раздельного сечения до раздельного сечения, проходящего через точку выхода кривой депрессии на низовом откосе плотины; низовой клин ограничен низовым откосом и раздельным сечением 2—2. При этом все три части составляют одно гидравлическое целое, так как каждая пропускает один и тот же удельный фильтрационный расход.

При движении фильтрационного потока в пределах верхового клина возникают гидравлические сопротивления, на преодоление которых тратится некоторая часть напора. Поэтому кривая депрессии в пределах верхового клина понижается от начальной точки с напором равным Н до точки В, лежащей в раздельном сечении.

При движении фильтрационный поток преодолевает гидравлические сопротивления, для чего он должен обладать некоторым избытком энергии но сравнению с величиной ее в выходном сечении. Поэтому и предполагается, что выходная точка С депрессионной кривой расположена выше уровня воды в нижнем бьефе на некоторую величину.

В том случае, когда воды в нижнем бьефе нет, все указания относительно верхового клина и средней части плотины остаются без изменений, но в низовом клине положение точки С определяется лишь величиной, необходимой для преодоления гидравлических сопротивлений при фильтрации в пределах низового клина.

Поэтому в силу известных свойств гидродинамических сеток фильтрационные струйки при входе их в пределы верхового клина должны быть нормальны к верховому откосу.

При составлении фильтрационного уравнения для верхового клина акад. Н. Н. Павловский криволинейные струйки тип аbс заменяет прямолинейными и горизонтальными типа dbc, то есть удлиняет струйки и тем самым как бы уменьшает, пропускную способность верхового клина. Это обусловливается тем, что более глубокие струйки близко подходят к непроницаемому основанию, и в определенной части верхового откоса происходит весьма медленная фильтрация и тем самым уменьшается пропускная способность верхового клина. Кроме того, криволинейные фильтрационные струйки встречают большее сопротивление на единицу длины, пересекая уплотненные горизонтальные слои тела земляной плотины. Поэтому при выводе фильтрационного уравнения для верхового клина акад. Н. Н. Павловский нашел возможным криволинейные струйки заменить расчетными прямолинейными и горизонтальными струйками.

2. Уравнение для средней части. В средней части плотины возникает неравномерное, медленно изменяющееся движение грунтового потока при горизонтальном водоупоре. В каждом произвольно взятом сечении средняя скорость u=const, но в разных сечениях разная, так как уклон переменный.

3. Уравнение для низового клина. Здесь может быть два случая: 1) воды в нижнем бьефе нет; 2) Вода есть.

Фильтрация через земляную плотину с ядром. Для уменьшения расхода и скорости фильтрационного потока, а также для понижения кривой депрессии в средней части профиля в земляных плотинах часто устраивают ядро из маловодопроницаемых грунтов. Коэффициент фильтрации ядра обычно бывает во много раз меньше коэффициента фильтрации грунта тела плотины. Поэтому даже при небольшой толщине ядра потери напора в нем достигают значительной величины, и, следовательно, кривая депрессии в пределах ядра понижается резк. Обычно ядро устраивают трапецеидального профиля с зубом, который заглубляют в водонепроницаемое основание.

Фильтрация в плотинах с экраном. В соответствии с увеличением глубины воды в верхнем бьефе экраны обычно устраивают с постепенным утолщением к нижней части откоса плотины, но для упрощения фильтрационного расчета толщину экрана принимают средней. В связи с тем, что защитный слой экрана выполняют из проницаемого материала, точку А можно принимать на уровне верхнего бьефа.

Акад. Н. Н. Павловский рассматривает движение фильтрационной воды через экран в двух зонах: через верхнюю часть экрана (выше кривой депрессии) и через нижнюю часть экрана (ниже кривой депрессии).

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