Устройства для рассеивания выходного фильтрационного потока в нижнем бьефе гидротехнических сооружений

Благоприятный режим фильтрации (I≤I_cr, где I_cr - критический градиент фильтрации для данного грунта) можно обеспечить, используя новый принцип, заключающийся в рассеивании неравномерно выходящего фильтрационного потока в толще основания выхода его в нижний бьеф. Это достигается полимерной горизонтальной геомембраной с отверстиями, уложенными под расчетным слоем местного грунта t_p. Рассеивающие выходные элементы (РВЭ) могут быть однослойными (рис.1а) [1] и многослойными (рис.2б) [2] с постоянной и переменной проницаемостью по длине. Степень проницаемости РВЭ может регулироваться размером и конфигурацией отверстий, числом слоев геомембран (рис. 2а,б), наличием дополнительных прослоек из слабопроницаемых грунтов (рис. 2в,г), а предупреждение локальных фильтрационных деформаций вблизи отверстий осуществляется тонкими слоями волокнистого фильтра или гравелистого грунта [3].

В целях схематизации области фильтрации под РВЭ разработана расчетная модель, суть которой в замене дискретно проницаемой геомембраны и слоя грунта под ней толщиной t_p с коэффициентом фильтрации k_Р условным слабопроницаемым слоем грунта (сплошной проницаемости), создающим идентичные условия протекания. Таким образом, для расчетного обоснования РВЭ удалось воспользоваться методическим подходом, применяемым для расчета глинистых понуров [4,5].

Для рассеивающего выходного элемента постоянной проницаемости (РВЭ–П) необходимо выполнение условия I_H=I_K<I_CK, где I_H и I_K – расчетные выходные градиенты напора сквозь геомембрану в ее начале и конце, тогда средняя часть эпюры будет иметь расчетный прогиб (рис. 1а). Расчетная длина и пьезометрический напор в основании РВЭ –П вычисляются по формулам:

где t_np=t_p ζ_ф - приведенная толщина РВЭ; ζ_ф = (ζ_ф)_н≥(Н_р)_н/(ℓ_ф·I_ск) – фильтрационное сопротивление, оказываемое фрагментом РВЭ с одним отверстием при выходе фильтрационного потока сквозь геомембрану в нижний бьеф (определяется по максимальному напору (Н_р)_н в начале геомембраны при х=0); ℓ_ф – ширина фрагмента или расстояние между отверстиями; h_вых= (Н_р)_к и ζ_вых =1,5t_p/T+0.44 – соответственно, потеря напора или пьезометрический напор в конце РВЭ и коэффициент сопротивления на выходе из-под геомембраны.

Величина ζ_p в 10 является расчетным коэффициентом сопротивления подземного контура РВЭ, который вне зависимости от конструкции должен иметь значение, необходимое для предотвращения фильтрационных деформаций в конце геомембраны [3,6]. Если подземный контур изначально проектируется с учетом РВЭ, то

(3)

В случае, если на предварительной стадии проектирования (без РВЭ) подземный контур не обеспечивает местной фильтрационной прочности грунта (I'≥I_cr), то необходимое значение ζ_p при его дополнительном устройстве равно

где ζ_пк - суммарное значение коэффициента сопротивления подземного контура, расположенного до РВЭ; α' и ζ'_вых – соответственно, коэффициент, указывающий на форму выходного элемента предварительно запроектированного подземного контура и его коэффициент сопротивления (уступ, зуб, шпунт) [4];  = 2 и ζ_вых = 1,5t_p/T+0.44 –тоже, для концевого участка геомембраны после последнего ряда отверстий длиной ℓ_k 0,5ℓ_ф + t_p выходные градиенты над геомембраной и х_m ордината минимального их значения определяются по формулам:

где х_i =ℓ_ф(i-0,5) – координата i-го ряда отверстий.

В соответствии с найденным выше значением ζ_ф=(ζ_ф)_н, численно-графическими методами в зависимости от выбранной формы отверстий, определяются радиус круглого отверстия r и ширина щели δ по формулам:

(7)

(8)

или по специальным графикам [3]. Практическое равенство выходных градиентов над отверстием и краями фрагмента будет достигаться при ℓ_ф ≤t_p. В свою очередь, толщина грунтовой пригрузки t_p должна обеспечивать необходимый вес РВЭ, препятствующий всплытию геомембраны под действием фильтрационного противодавления.

Для выходного элемента переменной оптимальной проницаемости (РВЭ-Оп), удовлетворяющего условию у-cons t ≤ I_cr, получены следующие расчетные формулы [7]

, (9)

где (t_пр)_н - приведенная толщина РВЭ-Оп в его начале, определяемая для формул (1) и (2);

Считая, что отношение максимального выходного градиента к среднему вдоль горизонтальных участков рационально запроектированного контура равно I / I_ср = 1.5 ... 2.0 , длину РВЭ-Оп на начальной стадии проектирования можно определить из выражения

Заметим, что вычисленная длина рассеивающих элементов округляется до значения, кратного ширине единичного фрагмента ℓ_ф. Проектная длина геомембраны будет равна: ℓ_р=N·ℓ_ф +t_p, где N – число фрагментов, которое обычно не превышает 3…4.

Простому аналитическому решению поддается случай, когда переменная проницаемость РВЭ-Оп достигается увеличением размера отверстий по длине геомембраны при постоянном расстоянии между их центрами ℓ_ф = const. Тогда0 для определения радиуса круглых отверстий r или ширины щели δ следует пользоваться выражением ζ_ф(х) ≥ Н_р/(t_p I_cr) и графиком (n=1).

На грунтовом основании с малым коэффициентом фильтрации многослойная конструкция (рис. 1,б) позволяет получить рассеивающую слабопроницаемую конструкцию, состоящую из отдельных полимерных лент, которые образуют щели. Равновеликие по длине геомембраны с одинаковыми щелями позволяют придать всей конструкции переменную проницаемость. Локальные максимумы волнообразной эпюры выходных градиентов фильтрации сквозь многослойный элемент, имеющий ступенчатую проницаемость (РВЭ-Ст), должны соответствовать значениям I_max = I'_max = I''_max =... = Iⁿ_max = I_cr. Длина участков ∆ℓ', ∆ℓ'', ∆ℓⁿ определяется по формуле

где γ_n – коэффициент надежности по ответственности сооружений; I_cr,m – критический средний градиент напора для грунта основания; ζ_а – коэффициент сопротивления, соответствующий фрагменту верхней геомембраны (8) с одной щелью; ζ_б – коэффициент сопротивления, соответсвующий фрагменту грунтовой прослойки между двумя слоями геомембраны, определяемый для двух совпадающих щелей (рис. 2а) по формуле

для двух смещенных щелей (рис. 2б)

Рис. 1. Схемы конструкции выходных рессеивающих элементов:

а) однослойная; б) многослойная

Рис. 2. Конструктивные элементы РВЭ: а, б – многослойные геомембраны (1) с

грунтовыми прослойками (2); в – геомембрана с волокнистым фильтром (4) и глинистой прослойкой (3); г – то же со слоем щебня или гравия (5)
Длина каждой геомембраны должна быть кратной . Для определения ширины щели , которая не изменяется по длине геомембраны и постоянна во всех слоях, необходимо определить требуемый коэффициент сопротивления фрагмента РВЭ-Ст в его начале

(15)

Затем, в соответствии в формулами (13) и (14) или по специально построенным для этого графикам [3] подобрать такое значение , чтобы соблюдалось неравенство (15). В начале следующего (n-1)-го участка проверяется фильтрационная прочность грунта по формуле

где ζ_а+(n-2)ζ_б =(ζ_ф)ⁿ⁺¹ – коэффициент сопротивления фрагмента (n-1)-го участка РВЭ-Ст в его начале.

Пьезометрический напор в начале участков, отличающихся числом слоев, определяется следующим образом

. (17)

Если условие (16) не соблюдается, то длина предыдущей (нижней) геомембраны увеличивается на ширину фрагмента ℓ_ф=t_p, и производится повторный расчет.

1. 
   А. с. №1052617. Флютбет гидротехнического сооружения. /В.Н.Бурдинский, Г.Г. Куновский БИ №44, 1983.
   
2. 
   А. с. №1420102. Флютбет гидротехнического сооружения. /В.Н. Бурдинский, Г.Н. Бурдинский, И.В. Кривенок. БИ. №32, 1988.
   
3. 
   Атабиев И.Ж. Совершенствование конструкций и методов расчетного обоснования рассеивающих выходных элементов подземного контура водонапорных гидротехнических сооружений: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. М.: МГПУ, 2000.
   
4. 
   Чугаев Р.Р. Подземный контур гидротехнических сооружений. Л.: Энергия, 1974.
   
5. 
   Чыонг Н.С. Расчет фильтрации в основании гидротехнических сооружений с грунтовым понуром оптимальных размеров. //В кн.: Гидротехника и водное хозяйство.Л., 1991 (Труды ЛПИ, №375).
   
6. 
   Бурдинский В.Н., Атабиев И.Ж. Расчет рассеивающего выходного элемента постоянной проницаемости подземного контура гидротехнического сооружения. //В кн.: Вопросы повышения эффективности строительства. Нальчик: КБГСХА, 1998. Вып. 1.
   
7. 
   Бурдинский В.Н., Атабиев И.Ж. Фильтрация сквозь рассеивающей выходной элемент подземного контура оптимальной проницаемости. //В кн.: Вопросы повышения эффективности строительства. Нальчик: КБГСХА1998. Вып. 1.