Расчетные схемы фильтрации

Земляные плотины рассчитывают по упрощенным схемам, к которым приводят реальные профили с различным сочетанием грунтов тела плотины и основания. Но любая расчетная схема должна соответствовать   самому   невыгодному   случаю,   при   котором получаются наиболее неблагоприятные результаты, как в отношении расходов, так и положения кривой депрессии.

Основные расчетные схемы: однородные плотины на непроницаемом основании и однородные плотины на проницаемом основании. В обеих схемах возможны случаи, когда в нижнем бьефе есть вода или ее нет. Кроме того, каждая схема, в свою очередь, делится на два вида: плотину с дренажем и без дренажа.

В плотинах, имеющих в составе поперечного профиля различные антифильтрационные преграды (ядра, экраны, понуры и др.), расчетные зависимости движения фильтрационного потока хотя и имеют другое математическое начертание, тем не менее по основному принципу остаются такими же, как и для однородных плотин, соответственно на водопроницаемом или водонепроницаемом основаниях.

Теория фильтрации наиболее полно разработана для плотин на непроницаемом основании, а для плотин на проницаемых основаниях - менее полно, поэтому в ответственных сооружениях прибегают к постановке лабораторных исследований. Последние выполняют на приборах ЭГДА или фильтрационных лотках с грунтом, взятым непосредственно с будущего места строительства плотин. По поводу исследований в фильтрационных лотках уместно заметить, что они дают более или менее, достоверные результаты при песчаных грунтах, имеющих большой коэффициент фильтрации. В глинистых грунтах, у которых очень маленький коэффициент фильтрации, процессы движения воды протекают замедленно, в силу чего на конечные результаты исследований оказывают влияние такие факторы, как кольматация, биологическое зарастание и т. п.; следовательно, при оценке явления здесь могут быть большие погрешности.

При фильтрационных расчетах плотин без дренажей кривая депрессии всегда выходит на низовой откос. Выходная ордината кривой депрессии зависит от напора и геометрических размеров поперечного профиля плотины, а также от наличия антифильтрационных преград.

Случай, когда плотина расположена на водопроницаемом основании и уровень грунтовых вод стоит ниже подошвы плотины, кривая депрессии не выходит на низовой откос. Этот случай здесь не рассматривается, так как он  не  является  характерным.
В схемах плотин с дренажем следует иметь в виду, что он должен быть расположен выше уровня воды в нижнем бьефе, а при отсутствии воды - на отметке, близкой к поверхности земли. Дренаж нормально работает только при безнапорном режиме. В отдельных случаях, возможно располагать дренаж и под уровень воды нижнего бьефа, но при этом следует обеспечить в нем атмосферное давление и непрерывный отвод поступающей воды.

В результате фильтрационных расчетов определяется удельный расход q, т. е. расход на 1 пог. м длины плотины. Величина удельного расхода является функцией коэффициента фильтрации и разности уровней воды верхнего и нижнего бьефа. По длине плотины последний параметр обычно меняется, что видно из схемы, приведенной на рисунке 83. В плотинах


Рис. 83 Расчетная схема для определения суммарного фильтрационного расхода:
1 - гребень плотины; 2 - расчетный уровень верхнего бьефа.

большой протяженности, перекрывающих не только русло водотока, но и пойму, не исключается случай, когда на одних участках в нижнем бьефе есть вода, а на других ее нет. По сопряжению с основанием в таких плотинах возможны различные схемы. На одних участках плотина может быть расположена на водоупоре, а на других - на проницаемом основании. Все это заставляет разбивать плотину по длине на характерные участки, в пределах каждого из них поперечный профиль приводить к одной из расчетных схем и для каждой схемы делать фильтрационные расчеты. На продольном профиле плотины (рис. 83), можно уяснить методику деления на характерные участки, каждый из которых имеет свою расчетную схему:

участок 1 (длина l1, напор Н1) расположен на водонепроницаемом основании, без воды в нижнем бьефе;

участок 2 (длина l2, напор H2) - на водонепроницаемом основании, без воды в нижнем бьефе;

участок 3 (длина l3, напор H2) на водопроницаемом основании, без воды в нижнем бьефе;

участок 4 (длина l4, напор H3) - на водопроницаемом основании, с водой в нижнем бьефе;

участок 5 (длина l5, напор H4) -на водонепроницаемом основании, без воды в нижнем бьефе.


Для каждого из перечисленных участков выбирают фильтрационную расчетную схему, исходя из которой и определяют удельные расходы q1, q2, q3, q4, q5.

Суммарный фильтрационный расход равен

(125)

Фильтрационные расчеты земляных плотин производятся при некоторых расчетных уровнях. В верхнем бьефе за расчетный уровень принимают НПУ, считая положение его неизменным во времени. Этот случай характерен для земляных плотин в подпорных узлах сооружений.

В водохранилищных плотинах на местном стоке (особенно при сезонном регулировании) НПУ держится непродолжительное время. В связи с этим фильтрация в теле плотины происходит при неустановившемся режиме, а следовательно, кривая депрессии не занимает постоянного положения. Фильтрационный расход также меняется во времени. Несмотря на это, и для таких плотин за расчетный уровень верхнего бьефа принимают НПУ, зная заранее, что расчеты дадут завышенное положение кривой депрессии и преувеличенный фильтрационный расход. Некоторым оправданием такого допущения служит то, что после сработки водохранилища до УМ0 (для условий ирригации, например, к концу лета) могут выпадать обильные дожди, за счет которых водохранилище вновь наполнится до отметки НПУ. Такой уровень будет держаться сравнительно долго, и понижение его определится началом потребления воды из водохранилища. За это время кривая депрессии займет свое расчетное положение и фильтрационный расход стабилизируется.

За расчетный уровень воды в нижнем бьефе принимают уровень, отвечающий продолжительному стоянию в течение года. Иными словами, это уровень заданной обеспеченности, при которой возможно постоянство кривой депрессии и фильтрационного расхода.

Совершенно очевидно, что уровень воды в нижнем бьефе для водохранилищных плотин на местном стоке в период пропуска паводковых расходов не может быть принят за расчетный, так как он непродолжителен (обычно несколько дней).

В период пропуска паводковых вод, когда уровень воды в нижнем бьефе поднимается, дренажи плотин могут оказаться затопленными и не работать, но кратковременность этого затопления не повлияет на положение кривой депрессии в теле плотины, а местное повышение ее в зоне дренажа не отразится на общей устойчивости плотины.