ФИЛЬТРАЦИЯ ВОДЫ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ
Для обеспечения надежности и экономичности сооружения необходимо знать силы механического воздействия фильтрационного потока на плотину (см. гл. 3), положение депресснонной поверхности (кривой депрессии), точку выхода фильтрационного потока на низовой откос или в дренаж, фильтрационный расход, высоту капиллярного подъема воды, химический состав грунтов н фильтрующейся воды. Для решения задач по фильтрации в грунтовых плотинах существуют гидромеханические, численные, гидравлические и экспериментальные методы, изложенные в гл. 3. Эти решения получены для случаев изотропности фильтрационных свойств грунтов. На практике же часто встречаются более сложные случаи, требующие введения корректив в эти решения.
Учет анизотропности фильтрационных свойств грунтов. Если тело плотины (противофильтрационный элемент) выполнено из достаточно однородных глинистых или песчаных грунтов, то коэффициент анизотропности сравнительно невелик, и задача может решаться как изотропная. Анизотропна в таких грунтах чаще всего возникает при возведении плотины вследствие укатки грунта горизонтальными слоями. В таких случаях (2+3)А, где коэффициент фильтрации грунта в горизонтальном направлении; А то же в вертикальном направлении.
Если грунт, из которого выполняется противофильтрационный элемент, очень неоднороден по гранулометрическому составу и содержание частиц размером d Возможность возникновения анизотропных свойств грунта должна тщательно анализироваться и при необходимости в полученное решение должны вноситься соответствующие поправки, особенно в расчетах положения кривой депрессии. На рис. 12.2 показаны гидродинамические сетки для однородной плотины из изотропного и анизотропного грунта). Как видно, роль плоского дренажа при анизотропных свойствах грунта в плотине резко уменьшается и следует переходить на вертикальный дренаж. Положение кривой депрессии при этом существенно повышается. В пределе, выклинивание фильтрационного потока практически будет почти на уровне верхнего бьефа. Решение анизотропной задачи возможно (см. пп. 3.1 и 3.2) различными методами, в том числе гидравлическими, ЭГДА и численными. В том случае, когда грунты сильно сжимаемы, а разница между средними нормальными напряжениями о=(сух+сту+ст2)/3 в различных точках плотины большая, возникает фильтрационная неоднородность, так как под действием средних напряжений меняется пористость грунта, а следовательно, и коэффициент фильтрации. Для высоких и сверхвысоких плотин соотношение коэффициента фильтрации в нижних и верхних точках ядра (реже экрана) может достигать 10 и более (по В.П. Недриге). Даже если фильтрационный расход и характер гидродинамической сетки зависят от изменения кф по координатам. Пространственная фильтрация. Как уже отмечалось выше, для решения пространственной задачи в чистом виде решают ряд плоских задач и задач обходной фильтрации. На рис. 12.3 показаны план грунтовой плотины и выбираемые плоские сечения плотины. Русло реки здесь дренирует пространственный фильтрационный поток. Только в пределах русла линии тока (плановой фильтрации) ортогональны оси плотины. Со стороны бортов (в пределах пой иы и долины) они представляют собой кривые линии, нередко очень удлиненные. Для того чтобы решения отдельных плоских задач наиболее полно Зависимость для расчета фильтрация в грунтовых плотинах отражали действительную картину фильтрации, сечение плотины следует делать но линиям тока плановой фильтрации. Вид сечений и положение кривой депрессии в каждом из них для однородной песчаной плотины на водоупоре показаны на рис. 12.3. На основе решения подобного набора задач строится полная картина фильтрации в рассматриваемом сооружении. Условия, положенные в основу расчета фильтрации, как было показано выше, на практике выдерживаются лишь относительно. Эта относительность еще подчеркивается тем, что исходные коэффициенты фильтрации часто определяются, особенно в основании, весьма приближенно. Решение некоторых задач фильтрации гидравлическим методом приведено в табл. 12.1. Решения даны по В.П. Недриге. Основы гидравлического метода изложены в п. 3.2. Расчетные случаи. Максимальные фильтрационные силы отмечаются при наивысшем положении кривой депрессии, поэтому основным расчетным случаем будет положение верхнего бьефа на отметке НПУ и нижнего бьефа на отметке максимального уровня воды, соответствующего пропуску расчетного паводкового расхода. Одновременно с этим, особенно для песчаных плотин, в которых установившийся режим достигается быстро, следует рассматривать случай, когда уровень верхнего бьефа находится на отметке форсированного горизонта. В случае глинистой плотины (или противофильтра ционного элемента из глинистого грунта) при форсированном горизонте следует рассматривать неустановившуюся фильтрацию, что может дать более низкое положение депрессионной поверхности, чем в случаях установившейся фильтрации, так как такой горизонт в верхнем бьефе поддерживается сравнительно короткий промежуток времени. Важным является и другой расчетный случай: в верхнем бьефе уровень воды соответствует НПУ, а в нижнем минимальному меженному уровню. Этот расчетный случай может быть основным при расчете фильтров на контакте тела плотины и дренажного устройства. Следует отметить, что в большинстве случаев фильтрационный расход через плотину мал и мог бы не определяться. Однако существуют специфические условия, когда фильтрационный расход может быть определяющим при выборе конструкции плотины и ее противофильтрационного элемента. Эти условия выбора плотины можно разделить на две части. 1. Плотина из сильно проницаемых грунтов (песчаный, гравийно галечниковый грунт или каменная наброска, образованная направленным взрывом) без специального противофильтрационного устройства. В этом случае фильтрационный расход может быть столь велик, что энергетические потери будут существенны или даже не удастся создать плотиной желаемый подпор в верхнем бьефе. 2. Плотина имеет специальное назначение, когда она создается для оборудования так называемых «шламохранилища» или «хвостохранилшца», т. е для складирования отходов различных производств (например, отходов горнообогатительных фабрик цветной или черной металлургии, отходов химических предприятий и т. д.). В этом случае в верхнем бьефе могут откладываться отходы, подаваемые в хранилище в виде пульпы (см. 13.2) и содержащие вредные для человека или окружающей природы вещества; при этом даже ничтожная фильтрация через плотину или в обход ее опасна, поэтому требуются очень высокая точность определения расходов фильтрации, особая тщательность анализа условий фильтрации, при этом конструктивные противо фильтрационные элементы (экраны, ядра и т. п.) и дренажи должны быть повышенной надежности.
