Конструктивные меры борьбы с местным фильтрационным выпором и внешней суффозией
Обратные фильтры (2.8)
1. Меры борьбы с местным фильтрационным выпором. Под действием взвешивающих и фильтрационных сил может происходить фильтрационный выпор грунта. Основной мерой борьбы с выпором грунта является пригрузка его слоем крупнозернистого материала (камня, гравия). Представим на рис. 2.16 слой грунта, подверженный действию направленных вертикально вверх фильтрационных сил. Чтобы не допустить выпора грунта abed этими фильтрационными силами, данный грунт следует пригрузить слоем крупнозернистого материала, имеющего толщину у, определяемую из уравнения
В некоторых случаях с выпором борются путем устройства дренажа. Допустим, плотина расположена на относительно тонком слое глины (рис. 2.17);. под глиной залегает крупнозернистый песок, т. е. относительно проницаемый грунт. Рассмотрим потерю напора вдоль произвольно намеченной линии тока abed.
Рассматриваемый тонкий глинистый слой, расположенный в нижнем бьефе, под действием давления грунтовой воды (в размере 0.52) может быть поднят — произойдет недопустимый выпор глинистого грунта в нижнем бьефе. Чтобы такой выпор не произошел, достаточно в области нижнего бьефа устроить вертикальный дренаж. При наличии такого дренажа потерь напора на участке cd линии тока практически не будет и уровень воды в правом, а также в левом пьезометре снизится до уровня нижнего бьефа. Все потери напора (равные Z) после устройства дренажа практически сосредоточатся на длине ab линии тока.
2. Борьба с внешней суффозией осуществляется с помощью так называемых обратных фильтров. Обратный фильтр (рис. 2.18) состоит из отдельных слоев грунта. Крупность частиц грунта, образующих слои фильтра, возрастает по направлению течения грунтовой воды.
Обратный фильтр, всегда выполняемый из сыпучего (несвязного) грунта, должен удовлетворять основным условиям: а) частицы защищаемого грунта не должны просыпаться и вымываться в поры первого слоя фильтра (за исключением частиц, вынос которых не может привести к опасной осадке оставшегося грунта); б) частицы одного слоя фильтра не должны просыпаться и вымываться в моры следующего слоя фильтра; в) частицы последнего слоя фильтра не должны просыпаться и вымываться в дренаж, к которому примыкает фильтр; г) поры обратного фильтра с течением времени не должны кольматироваться частицами грунта, вынесенными из защищаемого слоя.
Грунт для обратных фильтров получают или из специальных карьеров, или искусственным путем, например просеиванием (а иногда и дроблением) имеющегося на месте грунта. При проектировании обратного фильтра приходится определять число слоев, толщину слоев грунта, составляющих обратный фильтр, и крупность частиц грунта внутри каждого слоя. Число слоев фильтра стараются назначить наименьшее (обычно 2...3). Иногда устраивают однослойные обратные фильтры из разнозернистого материала. Толщина б отдельных слоев зависит от условий производства работ и величины возможных деформаций (осадок) основания обратного фильтра в процессе эксплуатации сооружения. При отсутствии осадок принимают: при ручной укладке слоя — 610 см; при механизированной— 620 см, при отсыпке в воду—650...75 см. При наличии осадок толщину слоев иногда значительно увеличивают (опасаясь разрыва слоев фильтра при осадке).
Основным вопросом при проектировании фильтров является вопрос о подборе зернового состава для отдельных слоев фильтра. Здесь приходится различать два случая.
Первый случай, когда защищаемый грунт является сыпучим или сопрягаются два слоя фильтра, или, наконец, последний слой фильтра сопрягается с дренажем. Здесь мы сталкиваемся с грунтами, лишенными сцепления, причем рассуждаем следующим образом. Представим на рис. 2.19 частицы грунта условной шарообразной формы (диаметром D), относящиеся к одному из слоев фильтра или к крупнозернистому материалу, из которого образован дренаж. Очевидно, диаметр d частиц грунта, относящихся к защищаемому слою грунта или к соседнему слою фильтра (расположенному выше по течению), должен быть таким, чтобы эти частицы грунта не могли пройти сквозь пору диаметром d0, образованную частицами, имеющими диаметр D.
Отношение D/d, обеспечивающее геометрическую непроходимость пор крупных частиц (диаметром D) для мелких (диаметром d), зависит от следующих обстоятельств: 1) отдельные частицы грунта в действительности имеют неправильную форму; 2) перед каждой относительно большой порой образуется сводик из мелких частиц; 3) внутри каждого слоя фильтра, а также внутри защищаемого слоя грунт разнозернистый называется междуслойным коэффициентом. В литературе существует много различных предложений в отношении коэффициента, выдвинутых с учетом перечисленных осложняющих обстоятельств. Б. Ф. Караулов предлагает вычислять по формуле и требовать, чтобы для контакта двух слоев сыпучего (несвязного) грунта величина удовлетворяла условию
Имеется ведомственная инструкция по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений [18], составленная Г. X. Праведным. В этом нормативном документе вместо формулы (2.10) дается другой более сложный расчет, связанный с подбором грунтов для обратных фильтров.
При фильтрации сверху вниз (рис. 2.20, а) работа фильтра является более напряженной; при фильтрации же снизу вверх (рис. 2.20,6) коэффициент можно принимать относительно большим, так как в этом случае вымыванию мелких частиц дополнительно будет препятствовать их масса. При малых градиентах напора для схемы рис. 2.20,6 обратный фильтр вообще можно не устраивать.
Второй случай, когда глинистый грунт (грунт, обладающий сцеплением) сопрягается с первым слоем обратного фильтра. В этом случае предельно допускаемый междуслойный коэффициент может быть назначен значительно больше 8...10. Для определения в случае связного грун та различные авторы ре комендуют соответствую эмпирические графики И формулы [18]. Рис. 2.20. К расчету обратного фильтра.
