Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

РАСКЛАДКА ГРУНТА ПО ФРАКЦИЯМ В ТЕЛЕ НАМЫВАЕМОГО СООРУЖЕНИЯ

Получающаяся раскладка грунта по крупности в теле намываемого сооружения определяет фильтрационные свойства сооружения, его устойчивость при восприятии внешних усилий и просадочные свойства. Характер и качество раскладки грунта определяют интенсивность процесса консолидации грунта в ядре плотины и до некоторой степени величину предельной интенсивности намыва сооружения.

Все сказанное послужило поводом к появлению большого числа попыток изучить закономерности раскладки грунта по крупности при намыве и разработать простой и достоверный метод прогнозирования раскладки грунта для заданного режима и схемы намыва при данном гранулометрическом составе намываемого грунта. Каждый из предложенных методов имеет свои особенности, и потому знакомство с ними представляет интерес.

Выбор метода прогнозирования раскладки для практического пользования зависит от конкретных условий намыва.

Задача о прогнозировании раскладки грунта по фракциям чрезмерно трудная и к решению ее возможны различные подходы, что и отразилось в предложенных методах. Основная трудность в решении этой задачи заключается в том, что поток гидросмеси не стекает по внутренним откосам сооружения равномерным слоем; гидросмесь разбивается на ручейки, ручейки стекают иногда сложными извилистыми, меняющимися во времени путями. В связи с этим в различных местах пляжа намыва могут задерживаться более мелкие или более крупные частицы, чем это предусматривается любой расчетной схемой.

К настоящему времени предложено несколько методов расчета раскладки грунта по фракциям намываемого сооружения. Во всех предложенных методах имеется в виду, что гидросмесь подается в зоне внешних призм и стекает перпендикулярно продольной оси сооружения в прудок-отстойник.

Все предложенные методы расчета раскладки грунта по фракциям можно разбить на следующие группы.

1. Расчеты, базирующиеся на опытных данных. Изучая имеющуюся раскладку грунта в теле уже намытых плотин или при производстве намыва и зная, каков был исходный грунт и каким способом этот грунт намывался, сторонники этого метода делали соответствующие обобщения опытных и производственных данных и рекомендовали тот или инои метод прогнозирования раскладки грунта по фракциям для использования его в проектах новых намывных сооружений.

2. Расчеты, базирующиеся на гидравлической стороне явлений, происходящих при намыве. В этом случае поток гидросмеси, стекающей по внутреннему откосу плотины, рассматривают вначале как поток значительной глубины и достаточно высокой скорости, из которого могут выпадать только крупные частицы. На своем пути часть воды теряется за счет инфильтрации — поток мелеет; часть наиболее крупных частиц оседает и консистенция гидросмеси и крупность несомых частиц при течении гидросмеси к прудку-отстойнику меняются. Таким образом, расчет раскладки грунта сводится к расчету оседания твердых частиц из потока переменных характеристик. Если при этом гидросмесь вытекала из торца трубы, образуя достаточно мощный поток, то использовались закономерности гидравлики открытых русл с построением кривых свободной поверхности, выделением зон образования гидравлических прыжков и т. п.

3. Расчеты, учитывающие стохастическую сущность раскладки грунта по фракциям при намыве.

В настоящее время при описании механики турбулентного потока все больше используют принципы теории вероятностей и математической статистики, поэтому вполне естественно, что процессы переноса и выпадения твердых частиц из турбулентного потока в сложных условиях растекания гидросмеси по пляжу намыва рассматриваются как стохастические процессы. Сторонники этого подхода не отрываются от гидравлической сущности явлений и от функциональных связей между различными характеристиками растекающегося потока и отлагающегося грунта. Поэтому этот подход не оторван от физической сущности явлений.

Следует сказать, что Е любом из этих подходов результативную часть метода можно представить графически.

В настоящем разделе дается описание только тех методов расчета раскладки грунта при намыве, которые имеют физическую сущность, надежное подтверждение опытом или практикой намыва и прочно вошли в инженерные методы прогнозирования раскладки грунта по внутреннему откосу намываемого сооружения.

Метод Г. Н. Роера. Детально изучив американский опыт намыва плотин, Г. Н. Роер пришел к выводу, что в ядро попадают частицы меньше 0,25 мм; более крупные откладываются в боковых призмах. Для расчета раскладки грунта по методу Г, Н. Роера нужно знать гранулометрический состав карьерного грунта и задаться объемами ядра и боковых призм плотины.

Метод 3. И. Константной. Этот метод базируется на опытных данных, а не на строгих теоретических выводах. 3. И. Константная исходит из следующих положений.

1. В ядро укладываются частицы крупностью преимущественно 0,1—0,25 мм.

2. Из прудка-отстойника частицы крупностью меньше 0,1 мм уходят в количестве примерно 10%.

3. В промежуточных зонах, составляющих около 30% объема плотины, откладывается грунт крупностью преимущественно 0,25— 0,5 мм. В большом количестве в эту часть сооружения попадают частицы крупностью 0,1—0,25 мм, не дошедшие до прудка-отстойника.

4. Грунт крупнее 0,5 мм отлагается в основном в зоне боковых призм.

Имея кривую гранулометрического состава карьерного грунта, подлежащего намыву, на основе исходных положений метода

3. И. Константной можно дать ориентировочный прогноз раскладки грунта по фракциям в теле намываемого сооружения.

Для расчета по методу 3. И. Константной составлены таблицы, которые систематизируют и облегчают вычислительную работу.

Метод 3. И. Константной, который показал на практике хорошие результаты, широко применяют проектировщики намывных сооружений.

Метод В. Н. Маслова. Этот метод характерен простотой и графической наглядностью. Его недостатком является произвольное деление грунта по частям сооружения.

Метод, как ориентировочный, широко применяют проектировщики. Идея метода подсказана результатами массового анализа проб грунта, взятых из различных частей уже намытых сооружений. В частности, установлено, что 30 40% наиболее мелкого грунта откладываются в ядре сооружения, что и использовано в методе Маслова.

Метод Маслова базируется на следующих положениях и приемах.

1. Для осуществления расчета раскладки используют кривую гранулометрического состава карьерного грунта, идущего на намыв сооружения.

2. Процент отмыва мелких фракций задается. Горизонтальная линия от принятого процента отмыва на графике гранулометрического состава (рис. 158) дает точку Б пересечения с кривой гранулометрического состава; основание перпендикуляра на ось абсцисс дает точку В — минимальный диаметр частиц отмытого грунта. Кривая состава отмытого карьерного грунта теперь будет представлена кривой АВ.

3. Процент мелких частиц, которые должны быть уложены в области ядра плотины составляет 30—40%.

Горизонтальная линия, проведенная от выбранного процента до встречи с кривой состава отмытого грунта, дает точку С (рис. 159). Вертикаль, проведенная через эту точку, дает точку а на горизонтали 100% и точку б — на оси абсцисс.

Линия является кривой гранулометрического состава грунта, уложенного в ядро, а кривая 6А определяет состав грунта боковых призм.

Как отмечалось, в методе В. П. Маслова не учитывается возможность попадания крупных частиц в область ядра, а мелких —в область призм.

В качестве ориентировочной оценки раскладки грунта по фракциям в теле намывной плотины этот метод вполне применим.

Метод П. И. Гордиенко. Графический способ расчета раскладки грунта в намывных плотинах по этому методу состоит в следующем. Берется график Механического состава карьерного грунта. Пусть это будет ломаная ления 0А (рис. 160,а). Задаются предельной крупностью отмываемого грунта, например величиной. Этой крупности на кривой гранулометрического состава соответствуют точка В и точка на оси абсцисс. На линии 100% берут произвольную точку М. Точки В и Bi соединяют прямыми лучами с точкой М, после чего участок ломаной ВА перестраивается в ломаную В[А по точкам переломов следующим способом. Берется, например, угловая точка К горизонтальная линия, идущая от точки К, встречает луч ВМ в точке К, вертикальная линия из К встречает луч ВХМ в точке К, а горизонтальная линия из К встречается с вертикальной линией, идущей из К, в точке УСь Эта точка и построенные аналогично ей другие угловые точки определят ломаную линию В\А, т. е. линию гранулометрического состава грунта после отмыва мелочи.

Далее на линии берут точку С (рис. 160,6) так, что ее проекция С2 на ось абсцисс определяет верхнюю границу крупностей грунта, идущего в ядро плотины, и нижнюю — грунта, идущего в боковые призмы. Вспомогательную точку N берут где-либо на оси абсцисс. Описанным выше способом по отрезку ломаной и вспомогательными лучами NCi и NC строят линию гранулометрического состава грунта ядра, а по отрезку СА — линию гранулометрического состава грунта, укладываемого в боковые призмы.

Графический способ П. И. Гордиенко основан на теореме о пропорциональном делении сторон угла параллельными прямыми, поэтому в этом методе устраняется произвольная перестройка кривых гранулометрического состава, которая была отмечена в методе В. Н. Маслова.

Метод Е. А. Гаврошенко. Идея этого метода заключается в следующем: для определения размера частиц, отлагающихся на каком-либо участке поверхности откоса, нужно расход грунта на этом участке выразить в процентном отношении к расходу грунта, поступающего из распределительного трубопровода. Затем по кривой гранулометрического состава грунта, подаваемого на карту намыва, нужно найти диаметр частиц, соответствующий данному проценту.

Для определения массового расхода твердого компонента гидросмеси на любом расстоянии от места ее выпуска (из расчета на единицу длины фронта намыва) Е. А. Гаврошенко была предложена формула


По ряду случайных обстоятельств (колебание в расходе, консистенции и пр.) мелкие фракции будут оставаться на пляже намыва, «ухудшая» раскладку. Опыты Е. А. Гаврошенко подтвердили, что наличие в намытом песке фракций, не предусматриваемых расчетом, подчиняется нормальному закону распределения случайных явлений Гаусса.

Метод А. П. Тихомирова. Основным положением метода А. П. Тихомирова является утверждение, что на поверхности, намыва на любом расстоянии от места выпуска гидросмеси должно преобладать значение крупности твердых частиц, определяемое гранулометрическим составом исходного грунта и режимом намыва. Рассеивание частиц доминирующего размера от центра группировки вверх и вниз по откосу равно, вероятно, и подчиняется нормальному закону распределения случайных явлений Гаусса.

Метод А. П. Тихомирова, не доведенный им до технической приложимости, интересен по своей идее и послужил толчком к привлечению аппарата теории вероятности к расчету раскладки грунта по фракциям на откосе намыва. Этот метод был развит последующими исследователями.

Метод И. А. Шнеера. Рассматривая поток гидросмеси на поверхности намываемого откоса, И. А. Шнеер полагает, что грунт переносится потоком во взвешенном состоянии. Используя выражение А. Н. Гастунского и М. А. Великанова о транспортирующей способности потока и распределении мутности по глубине потока, И. А. Шнеер получил выражение для расхода твердого компонента гидросмеси и формулу для определения содержания фракций грунта на расстоянии х от места выпуска гидросмеси.

Метод И. Я. Русинова. Подход И. Я. Ру- синова к описанию явления намыва значительно отличается от подхода к этому вопросу его предшественников. Основное внимание он рекомендует уделять не потоку гидросмеси, стекающему с намываемого откоса, а характеру движения твердых частиц. Естественно, что и поток не может быть вне сферы внимания, поскольку частицы переносятся именно этим потоком. Поверхность намыва рассматривается И. Я- Русиновым как отражающий и поглощающий экран, на котором частицы могут задерживаться и оставаться неподвижными, образуя тело намыва; иногда они могут покинуть свое место на поверхности откоса и некоторое время двигаться вновь, катясь или прыгая, пока гидродинамическая обстановка не будет благоприятствовать их оседанию. Частицы, движущиеся таким прерывным образом, подвергаются воздействию тормозящих сил или движущих их импульсов и, подчиняясь преобладающему из этих воздействий, находятся в движении "или в покое. Таким образом, процесс перемещения частиц твердой фазы и их фракционирования является стохастическим (вероятностным) процессом, прерывным во времени. Следовательно, движение частиц твердой фазы можно охарактеризовать через вероятностные распределения скоростей и координат частиц для любого момента времени, используя при исследовании явления намыва математический аппарат теории вероятностей.

Метод В. А. Мелентьева. В основу метода В. А. Мелентьева положено установление связи между некоторым: параметром фракционирования и относительным расстоянием от места выпуска гидросмеси


Параметром фракционирования названо отношение содержания некоторой фракции в составе намытого в данном створе откоса

Относительное расстояние от области намыва до точки выпуска гидросмеси названо параметром намыва и обозначено через XQ:

Построенные по опытным данным кривые, удовлетворяющие уравнению (379), имеют характерный «максимум» — выпуклость в некоторой области значений х0. Экстремальная точка этой кривой соответствует центру рассеивания, т. е. на данном относительном расстоянии х0 при имеющихся условиях намыва происходит наибольшее сосредоточение данной фракции.

Далее В. А. Мелентьев вводит некоторый параметр силового воздействия потока на донные наносы в виде


Уклон i рассматривается в связи с максимальными значениями параметра, определяемого формулой (380). Самую зависимость оказалось возможным представить в следующей аналитической форме:

В. А. Мелентьев подтвердил впервые высказанную А. П. Тихомировым мысль, что расстояние от места выпуска гидросмеси до центров рассеивания фракции грунта пропорционально содержанию данной и всех более крупных фракций в составе исходного грунта.

Этот тезис В. А. Мелентьев реализовал в формуле для «параллельного» намыва, т. е. намыва сплошным потоком, например в узком лотке в виде сходного грунта рассеивается по длине откоса намыва так, что ее осредненная по длине величина в процентах равна проценту содержания этой фракции в составе исходного грунта. :

Метод расчета фракционирования грунта при намыве по В. А. Мелентьеву слагается из описанных ниже операций (гранулометрический состав карьерного грунта, производительность земснаряда по грунту QTB кг/с и по гидросмеси QCM кг/с и длина откоса считаются известными).

Определение гидравлических характеристик потока гидросмеси. Гидравлические характеристики потока гидросмеси определяют в следующей последовательности.

1. Исходя из заданных абсолютных расстояний вычисляют относительные расстояния от места подачи гидросмеси до рассматриваемых створов, например: x0i = 0,1; х02= = 0,2 и т. д., откуда xi = 0,l; х2=0,2 и т. д.

2. Вычисляют ширину разлива гидросмеси на этих расстояниях. При намыве, ограниченном параллельными стенками, (будем называть намывом в лотке). При намыве со свободным растеканием принимается

3. Определяют удельные


Кроме того, В. А. Мелентьев еще раз подтвердил удовлетворительное соответствие закону Гаусса рассеивания рассматриваемой фракции вниз и вверх по откосу намыва от центра.

Абсциссу центра рассеивания i-й фракции в условиях растекающегося потока, как это бывает при производственном намыве, предлагается определять по формуле

4. Подсчитывают среднюю консистенцию потока гидросмеси

5. Определяют среднюю скорость потока гидросмеси

6. Находят среднюю глубину потока гидросмеси

7. Определяют d по кривой гранулометрического состава.

8. Определяют среднюю для данного грунта неразмывающую скорости и соответствующую этой скорости глубину потока для всех вычисленных х определяют.

9. Подсчитывают параметр

10. Определяют средний уклон намываемого откоса:

5. Для каждой фракции определяют коэффициент а (по номограмме).

6. Определяют ординаты кривых рассеивания

Расчет кривых рассеивания производят в следующем порядке.

1. Подсчитывают среднюю крупность каждой фракции грунта

2. Для каждой фракции определяют абсциссу центра рассеивания: при намыве в лотке

Расчет гранулометрического состава намытого грунта выполняют по формуле

Все данные расчетов целесообразно свести в табличную форму, а распределение фракций по длине откоса представить графически. Хорошее представление о раскладке грунта по фракциям дают графики, по оси абсцисс которых отложены относительные расстояния, а по оси ординат — средние крупности частиц, соответствующие этим расстояниям.

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