6.6 Обратные фильтры

Увеличение градиентов и скоростей фильтрации в случае устройства дренажа усиливает опасность суффозии грунта. Защитным мероприятием про­тив последней являются обратные фильтры, которые играют вообще очень важную роль в гидротехнических сооружениях, подверженных фильтрации.

Рисунок 35 - Схемы обратных фильтров

Обратный фильтр устраивается обычно из нескольких слоев несвязных грунтов различной крупности, уложенных нормально направлению фильтраци­онных токов и в порядке возрастания крупности частиц по ходу фильтрации (рисунок 35). Такое расположение слоев при правильном подборе их состава препятствует суффозии грунта даже при весьма значительных градиентах фильтрации J в опытах до 7-20 и более. Поэтому обратные фильтры следует укладывать при выходе фильтрационных вод в дренажи, в нижний бьеф и в на­броску камня, гальки, и т. п.

Фильтр должен удовлетворять следующим условиям:

• частицы одного слоя его не должны проходить через поры другого, более крупного;

• не должно происходить перемещения частиц внутри каждого слоя;

• частицы защищаемого грунта не должны выноситься через фильтр, за исключением мельчайших, вынос которых считается допустимым;

• фильтр не должен заиляться.

Легче всего удовлетворить эти требования, устраивая слои фильтра из однородного грунта, специально подобранного или отсеянного. В таком случае надо только обеспечить непроходимость частиц диаметром d одного слоя через поры следующего слоя с частицами размером D, для чего нужно, чтобы

Здесь цифра 7 характеризует геометрическую непроходимость шаров диаметром d через поры между шарами диаметром D, цифра 20 - то же для ре­альных частиц песка и гравия при фильтрации воды в них (максимальное значение).

Но так как такой фильтр из отсеянного грунта был бы очень дорог, то практически фильтр подбирают из грунтов лишь относительно однородных. Для устройства обратных фильтров используют песчаные, гравелистые и ще­бенистые материалы с коэффициентом неоднородности т] = D₆₀/D/o ^ 10.

При подборе состава обратных фильтров при нисходящем фильтрацион­ном потоке можно воспользоваться графиком В. С. Истоминой (рисунок 36).

В соответствии с этим графиком пригодность материала для первого слоя фильтра определяется соотношением его коэффициента неоднородности Jl=d₆o/dw и отношения D₅₀, d₅₀ (размеры соответственно: d₅₀ для предыдущего слоя, D₅₀ для последующего слоя).

Однако в таких грунтах количество мелких, легко вымываемых фракций с d меньше 0,1 мм не должно превышать 5%, вымыв такого количества мелких фракций не нарушает структуры остающегося грунта. Для уменьшения процен­та фракций d<0,\ мм может быть применен отсев и промывка песка.

Обратный фильтр состоит из отдельных слоев грунта. Крупность частиц, образующих слои фильтра, возрастает по направлению течения грунтовой во­ды.

Число слоев фильтра обычно принимают 2-3 слоя. Толщина отдельных слоев при ручной укладке слоя 5 > 10 см, при механизированной 5> 20 см, при отсыпке в воду д> 50-75 см.

Рисунок 36 - Графики для подбора состава обратных фильтров дрена­жей в песчаных грунтах: а - в восхо­дящем потоке; б - в нисходящем по­токе при толщине фильтра 1 м и 20 мм; в - в нисходящем потоке при 20 см для гравия и гальки; г - то же для щебня.

Ниже кривых - область допустимых характеристик

Если точка, отвечающая некоторым значениям η и располагается на графике ниже соответствующей прямой, то фильтр считается пригодным.

Кроме того, необходимо, чтобы k_ф первого слоя фильтра не менее чем в 4 раза превышал k_ф защищаемого материала, т.е.

Это условие выполняется, если D_l0/ d₁₀ > 2÷3.

ПРИМЕР

Определить среднюю крупность и число слоев обратного фильтра одно­родной земляной плотины со средней крупностью частиц d₅₀ = 0,015 мм.

Имеется крупнопесчаногравелистый грунт η= 8 и D^I ₅₀= 0,3 мм. По

графику (рисунок 36) определяем, что этот грунт (D50/ d50=0.3/0.015=20) может быть использован для фильтра.

Второй слой из грунта с коэффициентом неоднородности η≤10. Для η=10и D^I₅₀/D^II₅₀>18 определяемD^II₅₀ =18∙0.3=5.4 мм.

Третий слой необходим в связи с тем, что имеется дренаж из камня круп­ностью D_д=8 см. При коэффициенте неоднородности η=З требуется слой фильтра (рисунок 37).

D^II₅₀/D^I₅₀ > 10, т.е. D^III₅₀> 5,4 мм

Рисунок 37 - Схема устройства обратного фильтра

Во всех случаях применения дренажа основания плотин на нескальных грунтах должны быть уложены обратные фильтры под дренажными отвер­стиями (рисунок 35); самые отверстия в бетоне закладываются на некоторую высоту слоями щебня и камня тоже в порядке возрастающей крупности по ходу фильтрации во избежание выпора фильтра в отверстие или вымыва его при больших скоростях надземного потока.

Толщина слоев фильтра бывает от 20 до 50 см; меньшие значения - для слоев фильтра из подобранного однородного материала, большие - для менее однородных смесей; производственные соображения (условия укладки) могут заставить иногда еще более утолстить слои фильтра. Число слоев фильтра обычно три, реже - два. Фильтры обладают иногда свойством заиляться, или «забиваться» мельчайшими коллоидными частицами и отложениями солей, об­разующими как бы водонепроницаемую пленку между грунтом и первым сло­ем фильтра. В песчаных грунтах этот процесс маловероятен и не опасен, если слои фильтра правильно подобраны (хотя и в них возможно частичное заиле­ние фильтра), но в глинистых грунтах такая пленка может иногда совершенно закупорить фильтр. Возобновление работы последнего может последовать только после уничтожения пленки, что может быть сделано разборкой фильтра и удалением пленки, заменой материала фильтра или промывкой фильтра об­ратным током воды под напором. Так как практически еще не найдено целесо­образной конструкции, обеспечивающей смену материала фильтра или про­мывку его, то приходится в ответственных случаях считаться с возможностью полной или частичной забивки фильтра и дренажа и увеличения фильтрацион­ного давления почти до полного, которое имело бы место при отсутствии дре­нажа.