Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Методы фильтрационных расчетов

На основе фильтрационных расчетов определяют устойчивость флютбета на всплывание, устанавливают фильтрационную прочность грунта основания и определяют потери воды через основание водоподпорных сооружений.

Основой фильтрационных расчетов служит закон Дарси:


Закон Дарси отражает ламинарный режим фильтрационного потока и наблюдается в широкой области изменения скоростей. Этот закон применим для всех грунтов, за исключением, может быть, галечниковых, при больших скоростях.

Основные методы расчета. Существующие методы фильтрационных расчетов можно разделить на три группы.

Первая группа — гидромеханические, основанные на рассмотрении вопроса о движении фильтрационного потока как задачи математической физики. Этими методами можно аналитически определить все параметры фильтрационного потока и построить гидродинамическую сетку (подобную сетку с приближением можно построить от руки). Расчеты по гидромеханическим методам показывают, что изменение напора по длине подземного контура происходит по кривой; при этом на начальном участке кривая имеет выпуклость вверх, а на концевом — вниз (рис. 2.5).

Вторая группа — экспериментальные методы. Среди них наибольшее распространение получил метод ЭГДА (электрогидродинамических аналогий). При помощи этого метода строят гидродинамическую сетку для любых подземных контуров флютбета.


Применяют также экспериментальный метод исследования фильтрации в грунтовых лотках на моделях гидротехнических сооружений. Наглядную картину движения фильтрационного потока в основании водоподпорных сооружений можно получить в щелевом лотке (гидроинтеграторе). Такие исследования основаны на аналогии между фильтрацией в грунте и в щели, образованной параллельными стенками, между которыми дан подземный контур сооружения.

Третья группа — гидравлические методы, основанные на приближенном решении задачи. Это наиболее распространенные методы, используемые в практических расчетах.

В гидравлических методах расчета характер изменения напора между переломными точками флютбета принимают прямолинейным; при этом в конце флютбета ординаты будут меньше, а в начале — больше. Такое допущение не вносит существенных ошибок при определении противодавления на отдельные участки флютбета. В конце флютбета толщину его обычно принимают без расчета (конструктивно).

Экспериментальный метод ЭГДА. В методе ЭГДА используют аналогию между стационарным движением грунтового потока в пористой среде и электрическим током в токопроводящей, поскольку в обоих случаях справедливо уравнение Лапласа.

Решение задачи методом ЭГДА проводят на электрической модели, которую называют прибором ЭГДА.

В соответствии с законом моделирования электрическая модель должна представлять изучаемую область фильтрации в некотором линейном масштабе; при этом коэффициент электропроводности модели принимают пропорциональным коэффициенту фильтрации и соблюдают подобие граничных условий проницаемый грунт моделируется специальной электропроводной бумагой, электрическими растворами или металлической фольгой. Подземный контур в принятом масштабе вырезают в электропроводной среде, а на участках бьефов сооружения присоединяют.

Электрическая цепь прибора состоит из двух ветвей — питательной и измерительной. В питательную ветвь входят источник постоянного тока Лк, ключ К, реостат Р, амперметр А, вольтметр V, токопроводящее поле Л. Измерительная ветвь идет. На этом участке включается реохорд Re, к ползунку которого присоединяют проводник с подключенным к нему гальванометром, проводник оканчивается иглой-щупом.

Прибор ЭГДА работает по схеме мостика Уитстона (рис. 2.6,6). При помощи иглы-щупа для заданного напряжения на токопроводящем поле находят точки равного потенциала. Этому будет соответствовать выполнение условия:


Элементы гидродинамической сетки и ее свойство. Гидродинамическая сетка образуется линиями двух направлений, пересекающимися под прямым углом (рис. 2.7).

Семейство линий, идущих от поверхности дна верхнего к поверхности дна нижнего бьефа, представляют линии тока, а семейство линий, идущих от подземного контура к водоупору,— линии равного напора. Полосу, ограниченную соседними линиями тока, называют лентой расхода, а полосу между линиями равного напора — поясом давлений.

Подземный контур является первой линией тока, а водоупор—последней. При неограниченной глубине водопроницаемого основания сетку строят с использованием условного водоупора — активной зоны фильтрации.

Область фильтрации, занятую гидродинамической сеткой, разбивают линиями тока и линиями равного напора (давления) на криволинейные квадраты с равными диагоналями.

Гидродинамические сетки обладают следующими свойствами: через каждую ленту расхода проходит одинаковый расход, а в пределах каждого полного пояса давления гасится одинаковый напор квадраты сетки в любой ленте расхода могут быть разбиты на более мелкие с соблюдением условий, требуемых для построения криволинейных квадратов; скорости в пределах ленты расхода непостоянны (неравномерное движение): чем больше размер квадрата, тем меньше скорость, и наоборот.

По гидродинамической сетке можно определить все значения фильтрационного потока — напоры, а по эпюре напоров — силу фильтрационного противодавления, скорости и фильтрационные расходы.

Напор в любой точке области фильтрации определяют по зависимости:


Если пояса давлений отсчитывать со стороны верхнего бьефа от начала флютбета, то по формуле (2.10) можно определить потерянный напор до рассматриваемой точки.

При определении градиента напора следует взять две точки по направлейию линии тока, определить разность напоров между ними и разделить на расстояние между этими точками I по линии тока:


Удельный фильтрационный расход Aq, проходящий через одну ленту расхода:

Средние скорости в любом криволинейном квадрате:


Изменение скорости на участке выхода фильтрационного потока можно показать графически в виде кривой (см. рис. 2.7). Для ее построения из середины каждого квадрата следует отложить отрезки, равные скоростям, вычисленным по формуле (2.13), и вершины их соединить кривой.

Аналогично можно получить и кривую изменения суммарного фильтрационного расхода. Для этого в конце каждого квадрата нужно отложить отрезки суммарных расходов (вначале Я, затем 2q и т, д.) и вершины их соединить кривой.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 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