Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В ГРУНТАХ ОСНОВАНИЯ И ТЕЛА ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

В п. 3.1 было показано, что фильтрующая вода оказывает на частицы грунта силовое воздействие. Удельная сила воздействия (на единицу объема грунта) определяется согласно уравнению (3.12) и направлена по касательной к линии тока. Эти силы вызывают деформации, которые носят название фильтрационных. Деформации подразделяются по видам.

Фильтрационный выпор разрушение непригруженной части грунта, когда часть грунта отделяется от всего массива. Такой вид фильтрационных деформаций обычно имеет место в песчаных грунтах основания, на низовом откосе песчаных плотин. Сопровождаются эти деформации повышенной сосредоточенной фильтрацией (образованием грифонов). Вопросам борьбы с такого рода фильтрационными деформациями посвящены работы К. Терцаги, B.C. Баумгарта и Р.Н. Дави денкова, А.А. Ничипоровича и B.C. Истоминой, др.

Препятствуют выпору вес самого грунта, взвешенного в воде, сцепление грунта и вес пригрузки (часто в виде дренажа), также взвешенной в воде (см гл. 7). Такой вид фильтрационных деформаций может иметь место в песчаных основаниях под бетонной плотиной (см. §7.2).

Суффозия вынос мельчайших частиц песчаного или вообще несвязного грунта в месте контакта с более крупным грунтом (контактная суффозия) или перемещение мелких частиц из одной толщи разнозернистого грунта в другую внутренняя суффозия (см. гл. 7 и 12). При наличии в грунтах легкорастворимых солей возможно их растворение (химическая суффозия).

Суффозия очень распространенный вид фильтрационных деформаций и может иметь место и в основании бетонных плотин, и в фунтовых плотинах, и в каменных креплениях откосов.

Контактный выпор разрушение глинистого грунта в месте контакта с более крупнозернистым материалом (см. также гл. 7 и 12) фильтрационным потоком, направленным нормально к контакту. Контактный выпор чаще всего имеет место под бетонными плотинами на глинистом основании при выходе фильтрационного потока в дренаж, в грунтовой плотине в месте контакта глинистого ядра (грунтового экрана) с переходной зоной или вообще глинистого элемента плотины с дренажом.

Контактный размыв разрушение грунта в месте контакта с более крупнозернистым фунтом фильтрационным потоком, направленным вдоль контакта. Контактный размыв может происходить в месте контакта ядра грунтовой плотины с призмами или под креплением откосов со стороны ВБ при фильтрации воды вдоль мест контакта фунтов.

Кольматацил отложение в порах более крупнозернистого грунта мелких частиц, выносимых фильфационным потоком. В этом случае могут существенно снизиться проницаемость дренажа (если он колъматируется) и повыситься напоры, что может вызвать другие фильтрационные деформации или понизить устойчивость бетонных плотин (см. гл. 7 и 12).

Отслаивание офыв глинистых частиц от массива за счет расклинивающего действия частиц воды (см. гл. 12). Этот вид деформаций чаще всего происходит в месте контакта ядра (экрана) плотины с переходной зоной.

Для защиты оснований и фунтов фунтовых сооружений используют фильтры, которые в каменноземляных плотинах (гл. 12 и 13) в месте контакта ядра (экрана) с упорными призмами носят название переходных зон. По данным Международной комиссии по большим плотинам, в 25% случаев разрушения гидротехнических сооружений происходят из-за чрезвычайного развития фильтрационных деформаций, поэтому в нашей стране уделяется большое внимание подбору состава фильфов и переходных зон. Такие исследования уже около 60 лет проводились во ВНИИ ВОДГЕО (с 1930 г.). Начало этих исследований было положено B.C. Истоминой и продолжено В.В. Буренковой и Г.В. Мишуровой. Во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева ими занимаются В.Н. Жилен ков и его ученики, М.П. Павчич и др.; в НИСе Гидропроекта исследования проводили И.С. Ронжин, М.П. Малышев и др.

Защита от суффозии. Выше уже отмечалось, что песчаные частицы восходящим фильфационным потоком могут выноситься в поры более крупного грунта дренажа. При этом будет разрушаться основание и кольматироваться дренаж. Эти процессы недопустимы, и для их предотвращения необходимо уложить фильтр, который бы предотвратил суффозию. Для этого следует предусмотреть непросыпаемость частиц фунта первого слоя во второй, второго в третий и т. д. Такой же процесс может быть и в песчаных плотинах или их элементах (ядрах, экранах) из песчаных фунтов, но в этом случае может иметь место фильтрационный поток близкий к нисходящему (рис. 3.18).


Для построения критерия непросыпаемости необходимо знать соотношения между размерами частиц, слагающих фунт, и образуемыми ими порами. Эта задача сложная и в настоящее время далека от строгого решения. Для практических целей удобно пользоваться предположением, что размеры пор грунта зависят от его гранулометрического состава и кривая распределения размера пор в грунте подобна кривой гранулометрического состава [79]. В этом случае

Значение коэффициента си в зависимости от пористости грунта и коэффициента разнозернистости (неоднородности) приведено на рис. 3.19. Как видно из рисунка, значение а„ в большинстве случаев можно принимать равным 0,155, имея в виду, что он соответствует уплотненному грунту. При отсутствии уплотнения 0,155. Предельное значение си=0,41, что соответствует предельно рыхлому (неустойчивому) сложению или однородному грунту.

Отсутствие проникновения частиц одного грунта в поры другого выражается соотношением


В каменноземляных плотинах ядра и экраны обычно выполняют из глинистых грунтов, поэтому проверку на суффозию осуществляют при подборе состава второго слоя фильтра и проверке контакта второго слоя с дренажем (фунт низовой упорной призмы в случае каменноземляной плотины). В этом случае выявляется необходимость подбора состава третьего слоя фильтра.

Подбор состава второго слоя фильтра (переходной зоны) каменноземляной плотины с центральным ядром по условию контактного размыва может не производиться, если толщина фильтра достаточна, чтобы фильтрационный поток не вышел во второй слой. Толщину первого слоя фильтра можно в этом случае определять исходя из максимального радиуса растекания потока при выходе его из трещины в ядре, если таковая может иметь место в сооружении. Ширина первого слоя фильтра в плотине с ядром может быть определена согласно предложению ВНИИ ВОДГЕО


Высота трещины в ядре (экране) определяется на основе исследования напряженнодеформированного состояния (НДС) плотины и ядер в составе плотины, в частности, или принимается как 1/3 высоты плотины с запасом (по натурным наблюдениям).

Глубина воды в трещине определяется, принимая уровень воды на отметке ВБ (с запасом). Раскрытие назначается также приближенно по решению НДС или из натурных наблюдений аналоговых сооружений. Обычно в пределах от 2 до 100 мм и может быть более.

Часто толщину 1го слоя фильтров в каменноземляных плотинах (переходная зона) из удобства производства работ назначают не менее 3 м, и только у гребня эта величина снижается.

Защита от отслаивания и контактного выпора. При сопряжении дренажного сооружения с глинистым грунтом первый слой фильтра рассчитывается из условий отслаивания и контактного выпора.

В подводном состоянии влажность глинистого грунта, не имеющего нагрузки на поверхности, увеличивается из-за расклинивающего действия тонких слоев воды между частицами фунта и их агрегатами. Уравновешивание расклинивания и изменение влажности наступают при отодвигании частиц и их агрегатов друг от друга, поэтому некоторые группы частиц и агрегатов выходят из радиуса действия молекулярных сил, и молекулярное сцепление (по Б.В. Дерягину) при определенных диаметрах этих агрегатов перестает действовать.

Экспериментально B.C. Истоминой установлено, что отсутствие отслаивания глинистого фунта на всей поверхности контакта фунтфильтр можно считать обеспеченным, если максимальный размер пор фильтра будет удовлетворять неравенству


Как уже говорилось выше, деформации отслаивания происходят только на свободной поверхности глинистого грунта, на которой отсутствует нагрузка, т.е. на той части контакта, которая приходится на поры между частицами сыпучего грунта.

Основной вид фильтрационных деформаций глинистого грунта контактный выпор, который может происходить под действием фильтрационного потока.

Допустимый градиент контактного выпора можно определить по формуле, предложенной Г.В. Мишуровой


Величина ср [кгс/см2] должна определяться опытным путем, как и прочие характеристики грунта, и только для приближенного определения можно воспользоваться зависимостью предложенной B.C. Истоминой


Величина Ср, определяемая по формуле (3,78), соответствует сцеплению на разрыв при влажности на пределе текучести, так как в подводном состоянии в глинистом грунте в месте контакта с порами (в ненагруженном состоянии) постепенно влажность повышается за счет расклинивающегося действия воды. Глубина, на которую распространяется повышение влажности, небольшая (по данным B.C. Истоминой) и зависит от размера пор фильтра и нагрузки. Можно также воспользоваться рекомендациями п. 11.1.


Отсутствие выпора будет обеспечено, если >1р (максимальный расчетный выходной градиент р согласно фильтрационным расчетам определяется по гидродинамической сетке).

Приведенные выше расчеты справедливы, если фильтрационное устройство монолитно и опасности образования сквозных трещин нет. Если анализ напряженнодеформированного состояния показывает, что образование трещйн возможно (см. п.12.4), что может иметь место в ядрах или экранах каменноземляных плотин, то подбор первого слоя фильтра следует производить и из условия самозалечивания трещин, что достигается кольматацией фильтра на контакте с трещиной выносимыми потоком частицами.

Защита от контактного размыва. Наиболее уязвимы для контактного размыва наклонные поверхности из мелких и крупных материалов: откосы земляных плотин (гл. 13), низовая грань ядра земляной или каменноземляной плотины. Во всех случаях, если возможно движение воды вдоль места контакта, необходимо рассмотреть nhb случая:

1) толщина первого слоя фильтра невелика (дренаж под бетонными сооружениями);
2) слои фильтров между телом плотины и дренажной призмой и т.д., поток захватывает и второй, и другие слои. B.C. Истомина получила экспериментально, что размыва слоев фильтра не будет, если

Аналогично можно проверить защиту от контактного размыва песчаного тела плотины соответственно диаметры частиц, меньше

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

Экспертиза

на главную