Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДНЫХ ПОТОКОВ ПРИ НАМЫВЕ ПЛОТИН; ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И ИХ РАСЧЕТ

Пути и режимы водных потоков при намыве. Гидросмесь, вытекая из распределительного трубопровода, растекается по поверхности намыва и откладывает твердые частицы по намываемому откосу. При стекании воды по откосу часть ее просачивается через поры уже намытого грунта и под действием силы тяжести стремится двигаться вниз. Возникающие сопротивления при движении могут заставить воду распределяться на несколько потоков: вниз в основание плотины, если оно водопроницаемо, в сторону внешнего откоса и к прудку-отстойнику.

В прудке-отстойнике вода медленно течет к сбросному колодцу, при этом мелкие твердые частицы грунта оседают на дно прудка. Большая часть воды сбрасывается через сбросные колодцы, незначительное количество фильтруется через толщу отложений центральной части плотины, а некоторая часть воды фильтруется в боковые призмы, усиливая потоки, которые идут в основание плотины и к внешним откосам (рис. 143). Естественно, что не при всяком режиме намыва будет происходить описанная картина движения воды в теле намываемой плотины. Так, при очень больших удельных расходах воды при намыве кривая депрессии может значительно подняться и выйти на наружный откос. Точка, пересечения кривой депрессии с поверхностью внешнего откоса называется точкой высинивания. Точки высачи- вания образуют линию по простиранию откоса, которая называется линией высачивания.

Поверхность откоса, расположенная ниже линии высачивания, называется областью высачивания.

Рассмотрим следующие три схемы фильтрации при намыве на водонепроницаемом основании (рис. 144, а, б, в).

В первой схеме принято, что кривая депрессии начинается от линии уреза прудка-отстойника и снижаясь идет к внешнему откосу. Линии тока также идут к внешнему откосу. Во второй схеме интенсивность намыва более значительна, и нижняя часть откоса оказывается водонасыщеннои, кривая депрессии отходит от поверхности откоса в точке, расположенной немного выше уровня в прудке. В этом случае часть фильтрационного потока устремляется к внешнему откосу, а часть — в прудок-отстойник. В третьей схеме вода инфильтрации и вода из прудка-отстойника устремляется к внешнему откосу.

При заданной геотехнике (известном строении, мощности и составе) основания плотины



Фильтрационные свойства намытого грунта. При движении жидкости в пористой среде расход фильтрационного потока определяется зависимостью


Как видно из приведенных данных, коэффициент фильтрации значительно снижается для мелких песков.

Приведенные значения коэффициента фильтрации являются ориентировочными, потому что они зависят от формы (степени окатанности) частиц, минералогического состава и текстуры намытого грунта.

Но коэффициент фильтрации значительно влияет текстура намытого грунта. Коэффициент фильтрации намытого грунта по простиранию (или падению) намытых слоев больше, чем в перпендикулярном к ним направлении! Это свойство называется анизотропностью намытых грунтов. Коэффициент фильтрации при движении воды вдоль намытых пластов имеет максимальное значение, а в перпендикулярном к ним направлении — минимальное. Отношение называется коэффициентом анизотропии.


Среднее значение коэффициента фильтрации для анизотропной среды берется как среднее геометрическое из максимального и минимального значений


При решении вопросов суффозии и кольма- тации приходится учитывать не скорость фильтрации, а действительную скорость движения воды в пористой среде.

Действительную скорость находят из выражения


Введя понятие пористости грунта т, как отношение объема пор к объему пористого грунта, и заменив отношение объемов отношением площадей, т. е.


Именно значением действительной скорости vg и определяется количественная характеристика явлений суффозии и кольматации.

Баланс воды при намыве земляного сооружения. На карту намыва с гидросмесью поступает количество воды Q.

Часть этого количества, фильтрующегося с поверхности намыва в плотину, обозначим Q. Количество воды, сбрасываемой из прудка-отстойника через сбросные колодцы, обозначим Усбр, а количество воды, остающееся в единицу времени в порах намываемого грунта,

Водный баланс при намыве сооружений можно записать в виде следующего выражения:

Обозначив расстояние от точек поверхности депрессии (являющейся свободной поверхностью) до водоупора буквой у (гидродинамический напор) и направив ось х по линии водоупора, уравнение кривой депрессии запишем в виде



Уравнение кривой депрессии (335) показывает, что эта кривая является эллиптической, для которойс будет вертикальной полуосью эллипса. В зависимости от величины а, т. е. от положения максимальной ординаты кривой депрессии (внутри или вне фильтрационного потока) дано подразделение трех схем фильтрации (см. рис. 144).

При а=0 фильтрационный поток полностью образуется за счет инфильтрации и направлен к внешнему откосу. Через сбросные колодцы сбрасывается только то количество воды, которое стекает в прудок-отстойник с поверхности намываемого откоса, т. е.



Формула (343) графически представляется гиперболой, имеющей две асимптоты: ось у и линию. Это означает, что по истечении времени Т процесс инфильтрации ничем не будет отличаться от напорной фильтрации с полным заполнением пор грунта водой. При

Уравнение (328) может быть представлено в следующем виде:

Умножив правую и левую части полученного выражения на площадь сечения единичного фильтрационного потока (единичной ширины), т. е. на у, получим

Для количественной оценки интенсивности инфильтрации можно рекомендовать формулу А. Н. Костикова

В сечении х = 0 имеем поток, идущий из прудка-отстойника (см. рис. 145). Следовательно из выражения (342) имеем: в начале инфильтрации часть объема пор заполнена воздухом. Очевидно, инфильтрация при длительном и интенсивном, намыве будет установившейся фильтрацией, причем такого состояния можно достичь, когда не будет зоны инфильтрации и все поры грунта под картой намыва будут заполнены водой. В этом случае, если не принять специальных мер искусственного дренажа, зона высачивания на внешнем откосе поднимется настолько высоко, что откос потеряет устойчивость и начнет размываться выступающим фильтрационным потоком.

Инфильтрация при намыве после длительного перерыва намывных работ соответствует инфильтрации в сухой грунт. Над зоной полного влагонасыщения в намытом грунте создается и сохраняется капиллярная кайма, которая отличается от области фильтрации тем, что поры этой каймы частично заполнены воздухом. В области капиллярной каймы (зоны) не происходит высачивания воды на внешние откосы. Эта капиллярная зона при подпоре или усилении фильтрационного потока переходит в область фильтрации, а при интенсивном отводе фильтрационных вод, например дренированием, область фильтрации уступает пространство капиллярной зоне.

Идя от поверхности намывного откоса с текущим по нему слоем гидросмеси в глубь намытого массива грунта, различают следующие четыре зоны влагонасыщения.

Первая зона—слой грунта почти полного насыщения — питается непосредственно из потока стекающей по откосу гидросмеси. Эту зону называют зоной насыщения; в ней поддерживается избыточное положительное давление.

Вторая зона имеет влажность, меньшую, чем при полном насыщении. Избыточное давление в этой зоне отрицательное. Эта зона является передаточной, т. е. передает гравитационную воду в следующую зону.

Третья зона — зона увлажнения — заканчивается границей между влажным и сухим грунтом, именуемой фронтом увлажнения.

До четвертой зоны инфильтрация еще не распространилась, и влажность ее меньше наименьшей влагоемкости. Это почти сухой грунт, над которым нависает зона увлажнения.

Если зона влажности доходит до водоупора, то здесь начинает скапливаться влага, достигая предельного значения насыщения и образуется фильтрационный поток с характерной каймой капиллярного поднятия влаги над ним. Необходимо отметить, что расчет элементов водного баланса при намыве не удается выполнить в элементарных функциях.

Водосбросные сооружения при намыве и их расчет. На карту намыва может поступать вода как жидкая составляющая гидросмеси в значительном количестве, если гидросмесь подается мощным землесосом. До 80% этого количества воды надлежит отвести с карты намыва организованным путем, т. е. с помощью специальных инженерных сооружений, а иногда при использовании простых устройств.

При двухстороннем намыве земляных сооружений с ядром основным водосбором, из которого организованно и дозированно отводится вода, является прудок-отстойник. Вода из прудка-отстойника отводится через водосбросные устройства и коллекторы за границы возводимого сооружения, предпочтительно в сторону верхнего бьефа, так как при таком отводе уносимые с водой мелкие частицы грунта оседают на дно будущего водохранилища на некоторой площади перед плотиной, кальматируют грунт о его дно и образуют слой отложений перед плотиной, являющийся как бы понуром, уменьшающим фильтрацию через основание плотины. Если основание плотины водонепроницаемо, то сбрасываемые воды предпочтительнее отводить в сторону нижнего бьефа.

Таким образом, в систему водосброса входят прудок-отстойник, сбросные колодцы и коллекторы, расчеты которых должны быть взаимно увязаны.

До настоящего времени пользуются упрощенным методом расчета прудка-отстойника, не учитывающим характер распределения в нем скоростей и условий осаждения частиц грунта.

По вертикали скорости убывают от поверхности к дну, меняются они и по длине прудка. Скорость осаждения частиц грунта принимают равной скорости их свободного падения в покоящейся воде.

Упрощенный расчет прудка-отстойника состоит в определении средней скорости движения воды в нем, обеспечивающей осаждение частиц грунта определенной крупности, кото-, рая предусматривается в проекте при расчете раскладки фракций в теле сооружения и размеров прудка-отстойника.

Вода, поступающая на карту намыва, неполностью отводится в дальнейшем через сбросные устройства. Потери сбросной воды на карте при намыве средними и мелкими грунтами составляют примерно 20%, когда основание непроницаемое, и 30% при фильтрующем основании. Обозначая эти потери через К и выражая их в долях единицы, получаем расход сбрасываемой воды в прудке-отстойнике.


Глубина прудка-отстойника, рассчитанная по времени осаждения мелких частиц грунта, оказывается равной 0,3—0,6 м, а при более крупных частицах может доходить до 1 м и больше.

Ширина прудка-отстойника, как указывалось "выше, устанавливается в процессе проектирования сооружения и изменяется в определенных границах. При расчетах принимается, что прудок не выходит за линию, разделяющую промежуточную зону пополам (рис. 146). В этом случае площадь поперечного сечения прудка-отстойника будет равна


Тогда средняя скорость движения воды в прудке-отстойнике составит

Среднюю скорость в прудке можно регули ровать, изменяя размеры водосливного фронта сбросных устройств и их количество на карте намыва.

Расход осветленной воды, пропускаемой одним сбросным колодцем, определяют по известной в гидравлике формуле

Обычно водосливными являются две-три стороны сбросного колодца, а через другие стенки колодца вода не сбрасывается.

Диаметры сбросных трубопроводов и их уклоны в зависимости от расходов сбросной воды

Количество сбросных колодцев на карте намыва находят по следующей формуле:

На каждой карте намыва обычно устанавливают не более одного-двух сбросных колодцев; при низкоопорном способе намыва целесообразно устанавливать один колодец вблизи перехода трубопровода через намываемое сооружение. Расстояние между сбросными колодцами принимают в пределах 100—200 м.

Сбросной коллектор рассчитывают по следующим формулам:


В табл. 18 приведены диаметры сбросных трубопроводов и их рекомендуемые уклоны в зависимости от наиболее распространенных расходов сбросной воды.


Сбросные колодцы, несмотря на временный характер работы, представляют собой весьма ответственные сооружения и поэтому должны выполняться надежно. Если они разрушатся, то восстановить их невозможно.

Сбросные колодцы выполняют деревянными каркасной конструкции, квадратного сечения в плане с длиной сторон не более 1,5 м. Чаще всего устраивают колодцы размером в плане 1,25X1,25 м.

Каркас колодцев состоит из стоек и распорок, выполняемых из бруса 16x16—20x20 см. По мере намыва стойки наращивают, но так, чтобы ни в одном горизонтальном сечении не оказалось более одного стыка. Стенки колодцев делают из досок (шандор), прибиваемых снаружи к стойкам каркаса или закладываемых в пазы стоек, что облегчает управление уровнем воды в прудке-отстойнике. Чтобы разжиженный грунт не выносился в колодец, шандоры тщательно подгоняют друг к Другу и закрепляют. По мере намыва стенки колодца наращивают.

При большой высоте колодца (рис. 147), чтобы уменьшить нагрузки на его стенки, сбросную трубу снабжают стояком, наращиваемым по мере намыва звеньями шириной 0,3—0,5 м или патрубками длиной до 2 м. Звенья, выполняемые из труб, имеют на одном конце муфту, внутренний диаметр которой соответствует наружному диаметру трубы, что облегчает монтаж. Такую же муфту имеют и патрубки. Во время намыва пространство между стояком и стенками колодца заполняется грунтом.


В зависимости от расхода сбросной воды колодцы устраивают из одной или нескольких секций: при расходе 0,5 м3/с — односекционные; при расходе 0,5—1 м3/с — двухсекционные; при расходе 1 —1,5 м3/с — трехсекционные.

Нижние стойки колодцев закапывают в грунт на 1,2—1,5 м, а при слабых грунтах забивают как сваи. При скальных грунтах колодцы ставят на ряжевое основание. Чтобы предупредить всплывание колодцев, их при- гружают камнем. Взвешивающая сила, действующая на колодец (рис. 148), может быть найдена по формуле


Сила РА достигает наибольшего значения, когда колодец пустой (при перерывах в намыве). Подсчеты показывают, что при высоте колодца 15 м эта сила может доходить до 14 тс.

На косогорах или при неровном основании устраивают ступенчатые колодцы (рис. 149). Иногда до выравнивания карты намыва прибегают к строительству вспомогательных колодцев.

Чтобы предотвратить засорение сбросных трубопроводов плавающим мусором, у колодцев устраивают ограждения в виде решетки из арматурной стали толщиной 10 мм с размером отверстий. Для сообщения с колодцами служат лодки или плоты и мостики.

Чтобы предотвратить фильтрацию вдоль сбросных трубопроводов, пересекающих тело сооружения, на них через 10—15 м устанавливают металлические или деревянные диафрагмы. Сторона квадратной диафрагмы должна быть размером не менее трех диаметров трубы. Металлические диафрагмы выполняют из листовой стали толщиной 4—6 мм и изготовляют в виде двух половинок, привариваемых к трубе и свариваемых между собой. Деревянные диафрагмы делают из двухтрех слоев досок толщиной 25 мм с прокладкой между ними толя или рубероида. В месте сопряжения с трубой их тщательно конопатят с двух сторон смоляной паклей. Готовые диафрагмы покрывают смолой.


Сбросные коллекторы и трубопроводы выполняют из металлических труб и соединяют сваркой. Их укладывают непосредственно на грунт основания, в траншеи и на П-образные опоры. При укладке труб на грунт последний должен быть плотным, исключающим возможность деформации. Уложенные сбросные трубы можно покрывать слоем битума с обсыпкой песком. Это увеличивает сопротивление фильтрации вдоль трубопровода. Чтобы предупредить всплывание труб, что может произойти в начале намыва при заполнении карты водой, их крепят анкерными сваями либо пригружают плитами или грунтом. Грунт отсыпают на пригрузочные площадки (рис. 150), устраиваемые под трубопроводом, или в загрузочные ящики, располагаемые над трубопроводом.

Величину взвешивающей силы определяют по формуле


Сбросные трубопроводы и коллекторы монтируют без переломов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а если переломы неизбежны, то угол их поворота не должен превышать 10 . Трубы укладывают с уклоном, причем уклон может быть переменным, но нарастающим.

После окончания намыва сбросные трубопроводы тщательно заделывают путем замы- ва грунтом или заполнения песчано-цементным раствором. На выходном конце трубопровода ставят бетонную пробку; колодцы засыпают грунтом с уплотнением. Коллекторы, уложенные по оси сооружения и соединяющие сбросные колодцы, не заделывают.

Гидромеханизация. Учебное пособие для вузов. А. П. Юфин. Изд. 2-е, перераб и доп М., Стройиздат, 1974, 223 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики