ДРЕНАЖНЫЕ УСТРОЙСТВА
Дренажные сооружения (дренажи) основной элемент земляной или каменноземляной плотины (см. п. 3.3). Дренажные устройства в грунтовых плотинах чаще всего устраивают для регулирования положения кривой депрессии в теле земляной плотины, для организованного сбора и отвода фильтрационых вод и для предотвращения возникновения фильтрационных деформаций. В каменноземляных плотинах роль дренажного устройства выполняет низовая упорная призма. Иногда дренажи устраивают для снижения порового давления консолидации (см. п. 12.3) или порового давления, возникающего в результате сейсмических воздействий на плотину.
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 фйльтра (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 каменноземляных плотинах. Дренажные устройства по своей конструкции разделяют на три типа (рис. 12.4): 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. Само 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 кривой 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 (DK) 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 30.
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, дрена можно было бы расположить очень близко к напорному откосу. Однако при этом его стоимость будет расти. Повышенная стоимость дренажа складываете! 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 техникоэкономического 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 П,«), 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 каменноземляных 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 (рис. 12.36). Иногда дренаж устраивается и в теле упорных призм, и в основании (рис. 12.33. п. 12.4).
Дренажи типа II, д применяют в однородных плотинах из глинистых грунтов для полного перехвата фильтрационного потока. Дренажные сооружение 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 (за кольматировать) 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.
В каменноземляных и каменных плотинах вертикальный дренаж иногда устраивают в основании в виде скважин для перехвата фильтрационного потока, чтобы предотвратить суффозию заполнителя трещин в скальном основании или выпор и суффозию в аллювиальном основании. Когда трубчатый вертикальный дренаж выполняется в аллювиальных отложениях, он должен оборудоваться фильтром. Конструкции фильтров могут быть самыми различными: фунтовые, металлические, бетонные, керамические, из геотекстиля и т.д.
В 50-х годах XX в. их выполняли даже из сурового полотна. В настоящее время иногда используют геотекстиль искусственный синтетический и, обычно, не тканный материал. Наиболее предпочтительными являются фильтры из пористого бетона или пластмасс. Отвод воды осуществляется через горизонтальный трубчатый дренаж или галереи.
На рис. 12.5 показана Асуанская плотина с вертикальным трубчатым дренажем, выполненным в низовой упорной призме. На рис. 12.6 показана плотина Инфернильо с дренажем в скальном основании, выполненным за противо фильтрационной завесой.
Размеры отводящих дренажных устройств рассчитывают исходя из ожидаемого расхода фильтрации и с учетом методов строительства дренажа. Сече, вне горизонтальных дренажных труб определяют из условия безнапорного движения воды. Вдоль по длине дренажной трубы устраивают смотровые колодцы. Выход воды из трубы обычно осуществляют в дренажный банкет в русловой части плотины. Диаметры труб могут достигать 2 м.
Устройство дренажей. Методы производства работ при создании дренажных устройств должны обеспечить его нормальную работу в период эксплуатации дренажного сооружения. Во всех случаях создания дренажных сооружений из камня или галечника нельзя допускать расслоения (сегрегации) материала. На практике принято считать, что грунт не расслаивается, но последние исследования В.В. Буренковой показали, что практически любой грунт расслаивается и должны быть предусмотрены специальные технические условия укладки грунта для предотвращения расслоения (мозаичная отсыпка с небольшой высоты, перемешивание при разравнивании и т. д.).
Гранулометрический состав фильтров и переходных зон. Характер фильтрационных деформаций грунтов изложен в гл. 3. Здесь необходимо рассмотреть подбор состава фильтров дренажных сооружений в зависимости от вида фильтрационных деформаций и условий работы протнвофнльтрационного устройства на контакте с фильтром. Эти дренажные сооружения имеют некоторые особенности по сравнению с дренажем под бетонными плотинами (см. п. 7.2).
Подбор состава фильтров и переходных зон дан в п. 3.3 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. Экраны или ядра могут быть выполнены из песка. В этом случае первый слой переходной зоны также подбирается из условия суффозионной прочности (см. п. 3.3). Размеры первого слоя фильтра переходной зоны определяются согласно формуле (3.73).
При защите глинистого грунта в однородной плотине, ядре или экране рассматривают и отслаивание [формула (3.70)], и контактный выпор [формула (3.80)], и контактный размыв [формулы (3.82) и (3.83)]. Но в противофильтра ционных элементах каменноземляных плотин возможно образование трещин вследствие развития неблагоприятного напряженнодеформированного состояния. Причина может быть в неравномерных осадках сжимаемого основания, зависания ядра (экрана) на упорных призмах вследствие разной сжимаемости этих элементов под нагрузкой, в сейсмических условиях и т.д. (рис 12.18). Фильтр должен подбираться таким образом, чтобы агрегаты частиц, выносимые из стенок (берегов) трещины, откладывались в первом слое фильтра и трещина самозапечнвалась. Эти положения были развиты в работах В.В. Буренковой.
При больших напорах в трещинах необходимо рассмотреть устойчивость агрегатов под действием гидродинамического давления, когда агрегаты могут выдавливаться водой из пор фильтра, что может иметь место при крупнозернистых фильтрах.
Все приведенные выше критерии оценки гранулометрического состава фильтров позволяют найти только один характерный размер частиц. Весь гранулометрический состав строится из условия неоднородности, при этом принимается. Если нужно использовать природный материал для фильтров или переходных зон, у которого необходимо перестроить кривую гранулометрического состава, предполагая возможное расслоение при отсыпке, чтобы наиболее крупная часть имела г)<10, и исходя из этого проверить пригодность естественного материала для фильтра без сортировки или назначить размеры частиц (наиболее крупных), подлежащие удалению. Методика перестроения кривых зернового состава приведена в п. 13.2 и на рис. 13.10.
Карьеры грунтов практически нельзя характеризовать одной осредненной линией гранулометрического состава, следует строить огибающие зерновых составов. Поэтому фильтры подбирают из наихудшего случая соприкосновения грунтов, наиболее удаленных по гранулометрическому составу. Например, наиболее мелкозернистая часть карьера песка (верхняя огибающая) и наиболее крупнозернистая часть (нижняя огибающая) каменной наброски. Приемы графического построения гранулометрических составов при отсеве некоторого количества фракций изложены в 13.2.
Если фильтр создается дроблением крупнозернистого грунта, то гранулометрический состав фильтра можно оценить по рис. 12.9.
При подборе состава фильтров из условия кольматации трещин, что может иметь место в тонких противофильтрационных элементах высоких каменноземляных плотин, следует помнить, что возможность образования трещин существует не на всей площади контакта ядро (экран) фильтр, а только на ее части (см. п. 12.4) и только здесь требуется более мелкозернистый фильтр. Во всех случаях необходимо изучать возможность использования для фильтров естественню грунтов, так как это существенно уменьшает стоимость плотины. Правильный подбор гранулометрического состава фильтра, высокое качество работы при отсыпке фильтров залог успешной эксплуатации сооружения, его надежности.
Толщина фильтров в дренажных сооружениях (рис. 12.4) назначается ю условия производства работ не менее 0,15 м и не менее 3, где DK диаметр 90%ной обеспеченности слоя фильтра, но зги рекомендации не относятся к переходным зонам каменноземляных плотин (см. п. 13.3)
