Общие сведения о фильтрации
Под фильтрацией понимается движение жидкости (газа) в пористой или трещиноватой (скальной) среде. Пространство, занятое потоком в таких породах, называют областью фильтрации. По характеру движения фильтрационный поток может быть неустано- вившимся и установившимся. В дальнейшем будет изучаться только установившийся режим фильтрационного потока. Такой поток в основании сооружения, как правило, будет неравномерным.
Фильтрационный поток в пористых средах возникает при наличии разности энергии в двух смежных сечениях. Такая разность может быть результатом температурного перепада, электрического потенциала и неодинакового давления воды. В гидротехнических сооружениях причиной фильтрации в основании служит разность уровней в бьефах. В водоподпорных сооружениях возможны два вида фильтрационного потока — безнапорный и напорный. Характер их определяется положением уровня грунтовых вод. Если он расположен ниже подошвы сооружения, то возникает безнапорный поток, а если совпадает с дном нижнего бьефа или будет выше его, появляется напорный поток. В разделе рассмотрены только напорный поток и силовое воздействие его на флютбет сооружения.
Водоподпорные сооружения возводят как на нескальных, так и на скальных основаниях. Теоретические положения напорной фильтрации разработаны только для нескальных грунтов. Скальные основания изучены еще недостаточно полно.
Важнейшая характеристика нескальных оснований — водопроницаемость, то есть способность пропускать через себя воду. Показателем водопроницаемости грунтов служит коэффициент фильтрации Кф, изменяющийся с изменением температуры, давления и зависящий от методики его определения. В фильтрационных расчетах обычно его принимают постоянным, как осредненное значение. Все грунты являются водопроницаемыми, но степень водопроницаемости у них различна. Обычно водопроницаемость грунтов оценивают не по абсолютному значению Кф, а сравнением со смежным (контактируемый) слоем. Грунт считается водонепроницаемым, если Кф одного слоя меньше Кф другого в 100 раз и более. По водопроницаемости грунты разделяют на однородно-изотропные и однородно-анизотропные.
Однородно-изотропными называют грунты, коэффициент фильтрации которых не зависит ни от координат точки в области фильтрации, ни от направления фильтрации. Это условие для любых точек, например А и В, запишется так:
Графически это можно изобразить в виде эпюры коэффициентов фильтрации (скоростей), вершины которых расположены по окружности (рис. 2.1,а).
Однородно-анизотропными называют такие грунты, коэффициенты фильтрации которых в любых точках (А и В) зависят от направления фильтрации, но одинаковы для параллельных направлений во всех точках области фильтрации (рис. 2.1,6). Это условие
Графически это изобразится в виде эпюры коэффициентов фильтрации (скоростей), вершины которых расположены по эллипсу. Обычно максимальное значение коэффициента фильтрации соответствует горизонтальному направлению, а минимальное - вертикальному, или наоборот (рис. 2.1, в). В общем случае расположение осей эллипса может быть любое.
В неоднородных анизотропных грунтах коэффициент фильтрации является функцией координат точки и направления.
Гранулометрический состав грунтов. Грунты в естественном состоянии имеют частицы различной крупности. В фильтрационных расчетах используют суммарные (интегральные) кривые гранулометрического состава грунтов, в которых частицы распределены по фракциям и выражены в процентах от массы взятого образца. В расчетах берут ординаты с кривой гранулометрического состава, используя характерные диаметры частиц грунта и определяя показатели: коэффициент неоднородности
