5. Елементи флютбетів. Задачі фільтраційних розрахунків

Гідротехнічна споруда, яка створює різницю рівнів в б'єфах і розташована на водопроникній основі, викликає рух ґрунтового потоку як в основі споруди, так і в її обхід. В залежності від міри водопроникності грунту основи і самої споруди виникає різний характер взаємодії між потоком і спорудою.

Якщо споруда водонепроникна (бетон, залізобетон), а грунт, на якому вона розташована, легкопроникний, то ґрунтовий потік не має вільної поверхні і буде напірним (рис 3.1). Такий потік чинить на частини споруди, що знаходяться в області його руху, гідродинамічний (фільтраційний) тиск, який змінюється від максимального до нуля.

Якщо споруда фільтруюча (земляна гребля, дамба), то в такому випадку вода проходить через тіло споруди, при цьому виникає вільна поверхня ґрунтового потоку і рух буде безнапірним (рис 3.2). Лінія поверхні води в ґрунтовому тілі споруди називається депресійною кривою або кривою депресії.

Напірний рух ґрунтового потоку проходить в безпосередньому контакті з флютбетом, який складає частину гідротехнічної споруди і призначений як для створення штучного русла для відкритого потоку, так і гасіння напору фільтраційного потоку. В річкових спорудах складовими частинами флютбету є понур, тіло греблі, водобій, рисберма і кінцева частина кріплення (рис. 3.3).

В окремих гідромеліоративних спорудах тіло греблі може бути відсутнє, і замість нього тільки низький поріг, що розташований на рівні понура або й дещо вище. Але в більшості гідро­меліоративних споруд водозливний поріг і водобій об'єднуються в одну масивну плиту. Для таких споруд вважається, що флютбет складається з чотирьох частин — понура, водобою, рисберми і кінцевої частини кріплення (рис. 3.4).

ПОНУР гасить частину діючого напору за рахунок збільшення шляху фільтраційного потоку, зменшуючи при цьому швидкість фільтрації і значення фільтраційної витрати (рис. 3.5). В низьконапірних спорудах понур влаштовується з ґрунтових матеріалів: глина, глинобетон, суглинок, а в більш відповідальних — з бетону, залізобетону, полімерних матеріалів. Вибір матеріалу для понура проводиться з врахуванням фільтраційних показ­ників грунту основи споруди. Довжина понура, при попередньому компонуванні флютбету, вибирається з умови погашення частини фільтраційного напору. Виходячи з цієї умови, довжина його вибирається в залежності від типу споруди і напору (або глибини води) перед спорудою. Для попередження розмиву ґрунтовий понур покривається зверху бетонними (залізобетонними) плитами, які розташовуються на підготовці з піску або гравію. Товщина понура приймається конструктивно, а потім уточнюється на основі фільтраційних розрахунків.

ВОДОБІЙ — ОСНОВНИЙ елемент флютбету. Він створює безпечні умови протікання води через споруду при підвищених швидкостях в зоні стрибкового спряження б'єфів і гасить напір фільтраційного потоку. Виконується водобій з бетону або залізобетону і в конструктивному відношенні це досить масивна водо­непроникна плита (рис. 3.6). Для збільшення довжини підземного контуру і зменшення градієнтів напору фільтраційного потоку на початку і в кінці водобійної плити, влаштовуються потовщення, що називаються відповідно верховим і низовим зуб'ями, розміри яких визначаються конструктивно. Збільшення довжини підземного контуру досягається також влаштуванням шпунтових рядів, які розташовуються в різних частинах флют­бету. Якщо шпунт розміщено на початку понура, то його називають понурним, в місці стикування понура і водобою — королевим, в кінці водобою — вихідним. Відстань між шпунтовими рядами повинна бути не меншою суми їх глибини занурення. Довжина водобою визначається з гідравлічних розрахунків та з умов розташування затворів, службового і проїжджого мостів. В зв'язку з тим, що тиск фільтраційного - потоку на водобій знизу завжди більший за тиск зверху, то товщину водобою розраховують з умови стійкості його проти випираючої дії фільтраційного потоку.

Рисберма необхідна для вирішення таких задач: а) захист русла за водобоєм від розмиву поверхневим потоком; б) створення вільного виходу фільтраційного потоку (вона повинна бути водопроникною); в) гальмування придонних швидкостей повер­хневого потоку; г) захисту грунту, на якому вона розташована від розмиву підземним потоком і для підвищення його стійкості проти випирання. Виконується рисберма з бетонних або залізобетонних плит, що розташовуються на підготовці по типу зворотного фільтра (рис. 3.7). Довжина рисберми повинна бути достатньою для гасіння швидкостей вихідного потоку до безпечних величин на розмив у відвідному руслі.

Лінія контакту (поверхня контакту) всієї підземної частини флютбету з грунтом основи називається підземним контуром споруди. У відповідності з призначенням, підземний контур має водонепроникні і водопроникні частини. В спорудах середнього і високого напору водо­непроникними частинами є понур і тіло греблі, а водобій та рисберма з кінцевим кріпленням — водопроникні (рис. 3.3). Водонепроникними частинами в низьконапірних спорудах (де тіло греблі може бути відсутнє) є понур та водобій, а водопроникними рисберма з кінцевим кріпленням (рис. 3.4).

При фільтраційних розрахунках до підземного контуру відносяться тільки водонепроникні частини флютбету, по довжині яких проходить гасіння напору фільтраційного потоку. Проектування підземного контуру споруди проводиться таким чином, щоб він міг зменшити фільтраційну витрату під спорудою, знизити вихідну швидкість фільтрації і зменшити розрахункові значення тиску на флютбет до безпечних величин. Але не завжди ці задачі мають однакову актуальність. Втрата води на фільтрацію при малопроникних грунтах основи не має суттєвого значення і носить лише характер перевірки. Якщо водобійна плита споруди досить масивна, то не обов'язково прагнути знизити тиск на неї знизу, але визначити його для встановлення безпечних умов експлуатації споруди необхідно. Швидкість руху фільтраційного потоку при виході визначається завжди і, якщо вона виявиться більшою за допустиму, то проектується кріплення грунту за спорудою або застосовуються інші заходи для її зменшення. Проте, незалежно від міри актуальності тієї чи іншої задачі, при проектуванні підземного контуру вирішуються всі питання, пов'язані з рухом фільтраційного потоку під спорудою, тобто визначаються: а) розподіл напорів (тисків) по підземному контуру споруди; б) вихідна швидкість; в) фільтраційна витрата.

Методи фільтраційних розрахунків в залежності від повноти і точності результатів розділяються на такі групи: емпіричні — за якими одержують досить наближені результати при визначенні фільтраційного тиску на частину споруди (метод лінійно-контурної фільтрації і його різновидності); гідромеханічні — в яких розглядається рух ґрунтового потоку як задача математичної фізики; експериментальні — які грунтуються на побудові гідродинамічної сітки на приладах електрогідродинамічних аналогій (ЕГДА), або дослідження проводяться в ґрунтових лотоках на моделях споруд; гідравлічні — які грунтуються на наближених розв'язках задач фільтрації (метод фрагментів, метод коефіцієнтів опору та інші).